Динамические, шумовые и спектральные характеристики лазеров на квантовых точках

Оглавление
'і
Оглавление............................................................2
Введение..............................................................5
Глава I. Мощносгные характеристики лазеров на квантовых точках и их надежность.........................................................13
1.1. Синтез структур с квантовыми точками на промышленных установках молекулярно-пучковой эпитаксии.........................14
1.2. Стабильность генерации через основное состояние квантовых точек 22
1.3. Мощные лазеры на квантовых точках..............................46
1.4. Надежность лазеров на квантовых точках.........................55
Выводы по Главе 1...................................................64
Глава 2. Динамические характеристики лазеров на квантовых точках
....................................................................65
2.1. Введение, методы измерения и анализа динамических лазерных характеристик.....................................................65
2.2. Модуляционные характеристики лазеров на квантовых точках.
Влияние компрессии усиления.........................................80
2.3 Высокоскоростная передача данных с использованием лазеров на
квантовых точках....................................................96
2.4. Влияние модулированного легирования активной области акцепторной примесью на температурную зависимость динамических характеристик и дифференциального усиления..........................104
2
1
2.5. Модуляционные характеристики лазеров с распределенной обратной
связью на квантовых точках.........................................111
Выводы по Главе 2..................................................121
Глава 3. Исследование коэффициента уширеиия линии генерации (а-фактора) в лазерах на квантовых точках...............................124
3.1. Введение......................................................124
3.2. Экспериментальное определение коэффициента уширеиия линии генерации в лазерах на квантовых точках спектрального диапазона
1.3 мкм............................................................130
3.3. Влияние модулированного легирования акцепторной примесью на температурную зависимость коэффициента уширения линии генерации ................................................................135
3.4. Влияние паразитной оптической обратной связи на характеристики
лазеров на квантовых точках...................................139
Выводы по Главе 3.............................................148
Глава 4. Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами усиления и генерации....................150
4.1. Введение.................................................150
4.2. Формирование широких спектров усиления в массиве квантовых точек........................................................157
4.3. Лазеры с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов квантовых точек с преднамеренно внесенной разупорядоченностью..........................................168
4.4. Инжекционные лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами генерации............................174
3
Выводы по Г лаве 4..............................................193
Глава 5. Широкополосные лазерные диоды на основе квантовых точек с низким шумом отдельных продольных мод для систем со спектральным уплотнением каналов.................................195
5.1. Введение: шумовые характеристики лазеров на квантовых точках 196
5.2. Анализ возможности использования индивидуальной продольной моды в системах высокоскоростной оптической связи............202
5.3. Высокоскоростная передача данных с помощью широкополосного лазера на квантовых точках...................................207
5.4. Система со спектральным уплотнением каналов на основе
многочастотного лазера на квантовых точках.....................214
Выводы по Главе 5..............................................225
Заключение.......................................................227
Список основных публикации по теме диссертации...................233
Список цитированной литературы...................................242
4
Введение
Актуальность темы. В последние годы объем информации, передаваемой между компьютерами, продолжает быстро расти. По
ф
имеющимся оценкам с 2005 по 2009 год мировой трафик вырос 2 до 9 петабайт/месяц. Медные линии уже не справляются с увеличивающимися требованиями к ширине полосы передачи данных. В связи с этим, сети следующего поколения будут базироваться на оптических каналах связи. Таким образом, оптическая передача информации является одной из наиболее перспективных областей применений полупроводниковых лазеров.
В настоящее время в сетях передачи данных используются лазеры с распределенной обратной связью на квантовых ямах. Однако такие лазеры обладают рядом внутренне присущих недостатков, в числе которых низкая температурная стабильность, влияние отражающегося от оптоволокна света на работу лазера (оптическая обратная связь), изменение длины волны излучения при модуляции током (чирп), сложность изготовления, в особенности для высокоскоростной многоканальной связи. Компенсация этих недостатков приводит к высокой стоимости лазерных модулей и препятствует их широкому внедрению.
К моменту начала настоящей работы теоретически было предсказано, что избежать многих недостатков лазеров па основе квантовых ям позволяет использование лазеров с активной областью на основе
нульмерных наноструктур - квантовых точек (КТ). В связи с этим в качестве объекта исследования были выбраны лазеры на основе самоорганизующихся КТ в системе материалов ІгЮаАІАз на подложках ОаАя, излучающие в спектральном диапазоне около 1.3 мкм.
Физика и технология приборов на основе КТ является одной из наиболее бурно развивающихся областей современной электроники. Вскоре после реализации первого лазера на КТ [1] была экспериментально продемонстрирована возможность достижения низкопороговой генерации, в том числе в непрерывном режиме, показана возможность достижения длины волны генерации в диапазоне оптической связи, а также достигнут значительный прогресс в области теоретического описания свойств лазеров на КТ. Однако не было достигнуто комплексного понимания взаимосвязи приборных характеристик между собой и с фундаментальными физическими свойствами КТ. В результате улучшение одного приборного параметра (например, снижение пороговой плотности тока) сопровождалось ухудшением других (например, резким уменьшением эффективности). Более того, такие важные для приборных применений параметры, как динамические, шумовые и, отчасти, спектральные характеристики оставались вне исследований. Во многих случаях, наблюдаемые свойства структур определялись не физическими свойствами КТ, а невоспроизводимостыо ростовых режимов, низким качеством интерфейсов, наличием дефектов и дислокаций.
Основной иелыо работы являлось комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определение их взаимосвязи с фундаментальными
6
физическими свойствами квантовых точек, определение методов оптимизации приборных характеристик, а также разработка на основе полученных знаний нового поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению с существующими аналогами характеристиками.
Методы исследования. Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием оборудования промышленного класса, что обеспечивает высокое кристаллическое и оптическое совершенство структур, а также высокую воспроизводимость результатов, и дает возможность систематически изучать влияние параметров массивов квантовых точек, определяющих их фундаментальные свойства, на характеристик приборов на их основе. Для изготовления лазеров на квантовых точках использовалась оптическая и электронная литография и плазмохимическое травление. Исследуемые приборные параметры лазеров включали их ватт-амперные характеристики, спектры усиления и генерации, деградационные, модуляционные и шумовые характеристики.
Научные положения, выносимые на защиту
X. О компрессии усиления.
Лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек характеризуются, по сравнению с лазерами на квантовых ямах, сильной компрессией оптического усиления с ростом концентрации фотонов в резонаторе. Это приводит к сильному демпфированию релаксационных колебаний,
насыщению интенсивности генерации через основное состояние, уширению спектра лазерной генерации, возникновению генерации через возбужденное состояние при увеличении тока накачки.
2. О влиянии насыщенного усиления.
Б лазерах на квантовых точках увеличение насыщенного усиления приводит к снижению коэффициента уширения линии, уменьшению его зависимости от тока, а также предотвращению генерации через возбужденное состояние вплоть до токов, многократно превышающих порог генерации.
3. О модулированном легировании.
Лазеры па квантовых точках с модулированным легированием акцепторной примесью обладают увеличенной по сравнению с нелегированными структурами температурной стабильностью дифференциального усиления, эффективности модуляции и коэффициента уширения линии.
4. О сверх широких спектрах усиления и генерации.
В лазерах на основе нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, уже при малых плотностях тока накачки достигаются сверхширокие спектры усиления и генерации, перекрывающие диапазон длин волн от основного до возбужденных оптических переходов.
8
5. О шуме интенсивности продольных мод.
В лазерах на квантовых точках относительный шум интенсивности продольных мод мал по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Это позволяет использовать отдельные продольные моды для безошибочной передачи данных с высокой скоростью.
Научная новизна работы состоит в следующем.
- Впервые установлена причина возникновения генерации через возбужденное состояние при больших токах инжекции и сформулированы условия генерации на основном состоянии вплоть до высоких выходных мощностей.
- Впервые исследовано явление компрессии усиления в лазерах на квантовых точках, его взаимосвязь с демпфированием релаксационных колебаний, уширением спектров лазерной генерации, уровнем шумов, определен коэффициент компрессии усиления.
- Впервые исследовано влияние модулированного легирования квантовых точек примесью /7-типа на температурную стабильность модуляционных характеристик и фактора уширения линии, продемонстрирован эффект уменьшения их температурной зависимости.
- Впервые проведены систематические исследования зависимости эффективности модуляции и фактора уширения линии от числа слоев квантовых точек в активной области. Впервые обнаружен и объяснен эффект уменьшения паразитного влияния оптической обратной связи в лазерах на квантовых точках.
-Впервые предложен метод для достижения сверхшироких однородных спектров усиления и лазерной генерации с помощью нескольких слоев
9
квантовых точек, центральная длина- волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою.
- Впервые показано, что относительный шум интенсивности отдельных продольных мод в лазерах на квантовых точках мал и продемонстрирована возможность использования продольных мод в качестве: отдельных каналов для параллельной передачи данных.
Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование приборных характеристик лазеров на основе квантовых точек, выявлены их особенности, обусловленные фундаментальными физическими свойствами самоорганизующихся квантовых точек, а также определены методы оптимизации приборных характеристик путем целенаправленного изменения свойств активной области и конструкции лазеров.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:
- Впервые реализованы сверхмощные лазеры на квантовых точках (16 Вт в многомодовом лазере и 850 мВт в пространственно-одномодовом лазере) с длиной волны свыше 1.2 мкм и продемонстрирована их высокая надежность (срок службы более миллиона часов).
- Впервые продемонстрированы одночастотные лазеры, на квантовых точках с распределенной обратной связью с длиной волны в диапазоне
1.3 мкм, которые могут быть использованы в качестве оптического источника, работающего; без системы термостабилизации в оптоволоконных сетях передачи информации средней дальности, обеспечивая температурно-стабильную (25-85°С) безошибочную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с.
10
- В лазерах на квантовых точках продемонстрирован эффект уменьшения влияния паразитной обратной связи, который позволяет реализовать ввод излучения в волокно без оптического изолятора и тем самым упростить лазерный модуль. Продемонстрирована передача данных на расстояние * 20 км со скоростью 10 Гбит/с без оптических изоляторов.
- Разработаны мощные (> 200 мВт) одночастотные лазеры, перестраиваемые в широком (> 160 нм) диапазоне длин волн, а также лазеры со сверхширокими (> 75 нм) спектрами генерации и высокой спектральной плотностью мощности излучения (>10 мВт/нм).
- Продемонстрирована возможность использования миогочастотного лазера на квантовых точках, обладающего низким шумом отдельных продольных мод, в качестве многоканального оптического передатчика в будущем поколении систем со спектральным уплотнением каналов, обеспечивающих скорость передачи данных > 500 Гбит/с.
Таким образом, в ходе работы разработана технология и продемонстрированы лазеры на квантовых точках' спектрального диапазона 1.2-1.36 мкм с рекордными характеристиками, превосходящими существующие аналоги, перспективные для высокоскоростной оптической передачи данных, а также для медицинских целей, удвоения частоты, спектроскопии, атмосферного мониторинга и других применений.
В результате диссертационной работы сформировалось новое научное направление в физике полупроводников — физика и технология лазеров на квантовых точках, управление их приборными характеристиками и их использование для высокоскоростной оптической передачи данных.
11
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 9-15 Международных симпозиумах
“Наноструктуры: Физика и Технология” (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2007); Международных конференциях Западная фотопика (Сан Хосе; США 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Международных конференциях Европейская фотоника (Страсбург, Франция, 2004; Мюнхен, Германия, 2007); 25 - 28 Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002; Флагстафф, США, 2004, Вена, Австрия 2006); 31 Европейской
конференции по оптической коммуникации (Глазго, Шотландия, 2005); 12 Международной конференции по микроволновому излучению и телекоммуникации (Севастополь, Украина, 2002); Конференциях по лазерам и электрооптике (CLEO) (Сан Франциско, США, 2004; Балтимор США 2005; Лонг Бич США 2006); 5 Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы” (Минск, Беларусь, 2005); 19 международной конференции по полупроводниковым лазерам (Шимане, Япония, 2004); 29 ежегодной конференции по волоконно-оптической связи (Лос-Анджелес, США, 2004); 2 Международной конференции по
полупроводниковым квантовым точкам (Токио, Япония, 2002); 12
Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Санта-Фе, США, 2001); Международном симпозиуме по электронным приборам и материалам (Тайпей, Тайвань, 2002). Результаты исследований опубликованы в 65 научных статьях.
12
Глава 1. Мощностные характеристики лазеров на квантовых точках и их надежность
Настоящая глава посвящена исследованию мощностных и деградационных характеристик лазеров на квантовых точках ТпАзЛпСаАз/СаАэ, излучающих в оптическом диапазоне 1.25-1.3 мкм. Описаны особенности синтеза структур с квантовыми точками с использованием установки молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) промышленного класса. Будет рассмотрено явление возгорания лазерной генерации на длине волны, отвечающей возбужденному оптическому переходу, и будут обсуждены пути увеличения оптической мощности, достижимой на длине волны основного оптического перехода. Также будут представлены результаты исследования ватт-амперных характеристик мощных лазеров на квантовых точках. В заключение будет рассмотрена надежность подобных лазеров и оценен их срок службы.
13
1.1. Синтез структур с квантовыми точками на промышленных установках молекулярно-пучковой эпитаксии
Для синтеза лазерных структур с квантовыми точками, результаты исследований которых представлены в настоящей диссертации, в основном использовалась установка МПЭ ШВЕЯ 49: Данная установка относится к промышленному классу и позволяет осуществлять одновременный синтез до пяти лазерных структур на подложках диаметром 3 дюйма (75 мм). Как будет показано в настоящем разделе, использование эпитаксиальной установки подобного класса, при определенной модификации ее конструкции, позволяет достичь высокой однородности параметров структур с квантовыми точками по площади эпитаксиальной пластины, а также высокой степени воспроизводимости параметров в последующих эпитаксиальных процессах. Как нам представляется, это является необходимым условием для достоверного исследования характеристик лазеров с квантовыми точками, т.к. гарантирует отсутствие каких-либо технологических флуктуаций параметров, которые могли бы повлиять на характеристики исследуемых лазерных диодов.
Как известно свойства квантовых точек чрезвычайно чувствительны к температуре подложки при эпитаксиальном росте. Поэтому неравномерный нагрев подложки приводит к неравномерному распределению пика фотолюминесценции по поверхности структуры, что особенно сильно может проявиться в случае использования подложек большой площади. Блок держателя подложек установки МПЭ ШВЕЯ 49
14
включает в себя два нагревателя с независимыми термодатчиками, один из которых преимущественно отвечает за нагрев центральной части держателя, а другой - за нагрев периферии. Использование раздельного температурного регулирования позволило нам минимизировать неравномерный нагрев подложки - разницу температуры в центре подложки и на ее периферии, оптимизировав распределение мощности между внутренними и внешними нагревательными элементами. С этой же целью мы изменили конструкцию заднего экранирующего кольца. Такие кольца обычно используют для предотвращения перегрева краев подложки. Как оказалось, форма кольца играет важную роль
распределения температуры по подложке.
Неоднородность распределения температуры в процессе
эпитаксиального роста оценивалась по положению максимума фотолюминесценции (ФЛ) массива квантовых точек, измеренному в разных точках поверхности образца. На рис. 1 представлено распределение максимума люминесценции по подложке диаметром 3 дюйма для четырех различных значениях разницы температур двух нагревателей (Д). В случае Д=0°С и использования стандартного заднего кольца пик
фотолюминесценции обнаруживает сильный коротковолновый сдвиг на краю подложки, что обусловлено более высокой температурой роста при осаждении квантовых точек вблизи периферии подложки. Этот эффект может быть скомпенсирован разницей температур нагревателей (Д=15°С), но общая неоднородность длины волны люминесценции все еще остается достаточно большой (в пределах 15 нм). Для усовершенствованной конструкции экранирующего кольца нами была достигнута
15
Положение пика, нм
1320 1300 1280 1260 1240 1220 1200
0 10 20 30 40 50 60 70
Расстояние, мм
Рис. 1. Положение максимума ФЛ б направлении максимальной неоднородности.
—I----1--1--1------1 ■ 1--1-1---■---1
в Стандартное кольцо, Д = 0°С в Стандартное кольцо, Д = 20°С • Усовершенствованное кольцо, Д = 5°С о Усовершенствованное кольцо, Д = 10°С
1—.__I___.—I_____. I . I___.—I
16
неоднородность пика, люминесценции квантовых точек не более 5 нм в пределах подложки диаметром 3 дюйма (рис. 1).
Однородность эпитаксиальных слоев также контролировалась с помощью исследования спектров электроотражения (contactless electroreflectance, CER). Этот метод позволяет получать профиль энергий переходов не только основных состояний (как в методе фотолюминесценции), но также и возбужденных переходов. На рис. 2 представлены спектры отражения, измеренные с шагом по координате 2.5 мм вдоль радиуса подложки. Как видно никаких сдвигов линий отражения и их формы не наблюдается, что свидетельствует о высокой однородности квантовых точек и покрывающих InGaAs слоев.
Кроме того, лазеры с широким полоском были изготовлены из различных частей одной эпитаксиальной структуры в четырех различных сторонних исследовательских центрах. Результаты тестирования этих лазерных диодов показали практически одинаковые параметры длины волны излучения, а также пороговой плотности тока (в пределах +/-2%), что также явилось доказательством высокой однородности структур.
Для определения воспроизводимости технологии создания квантовых точек нами была исследована серия тестовых структур одинакового дизайна, изготовленных в номинально идентичных ростовых условиях. При этом сами ростовые процессы, в которых структуры были изготовлены, были отделены друг от друга в среднем около 150 других ростовых процессов. Исследования показали, что во всех случаях плотность дефектов не превысила 100 см*2. Параметры этих структур представлены в табл. 1, спектры фотолюминесценции показаны на рис. 3.
17
СЕЯ, ота. ед.
I____I__I____I —1_____I I I_I----1_
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Энергия, эВ
Рис. 2. Карта спектров СЕЯ, измеренных с шагом по координате 2,5 мм вдоль радиуса подложки.
Таблица 1. Параметры исследуемых структур.
Номер под- ложки Дата роста Ожидаемая длина волны пика, нм Измеренная длина волны пика, нм Откло- нение длины волны пика Ожидаемая ширина спектра ФЛ. нм Измеренная ширина спектра ФЛ, нм Откло- нение ширины спектра ФЛ Плотность дефектов у см
Э0474 11.10.04 1260 1261.2 0.1% 47 45 4% 35
00598 04.06.05 1260 1259.6 0.0% 47 47 0% 74
00755 26.09.05 1260 1263.5 0.3% 47 50 6% 55
00919 13.04.06 1260 1254.9 0.4% 47 50 6% 43
19
Интенсивность,
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектры тестовых структур, изготовленных в различных ростовых процессах.
20
Как видно, отклонение длины волны максимума спектра составляет 0.4%, а отклонение ширины спектра около 6%.
Таким образом, показано, что за счет оптимизации параметров осаждения квантовых точек с помощью установки молекулярно-пучковой эпитаксии промышленного типа возможно достижение высокой однородности массива квантовых точек по пластине, а также высокой воспроизводимости результатов.
21
1.2. Стабильность генерации через основное состояние квантовых точек
Лазеры на квантовых точках (КТ) позволяют уменьшить пороговую плотность тока и достичь, высокой температурной стабильности рабочих характеристик [2, 3]. Недавно были продемонстрированы лазеры на КТ с
л
пороговыми плотностями тока менее 20 А/см [4, 5]. Также появились работы, в которых теоретически и экспериментально были исследованы пороговые характеристики и характеристики усиления лазеров на самоорганизующихся КТ [например 6, 7]. С другой стороны, к моменту начала настоящей работы возможность достижения высокой мощности в лазерах на основе квантовых точек и возможные механизмы ее
ограничения в литературе детально не обсуждались. В работе [8] наблюдался перескок длины волны генерации с основного на
возбужденное состояние квантовых точек при увеличении тока накачки в импульсном режиме генерации, что было, по мнению авторов,
обусловлено температурной зависимостью усиления или эффектами заполнения электронных уровней.
Нами детально исследовались мощностные характеристики лазеров с самоорганизующимися квантовыми точками и их особенности, связанные с конечной скоростью релаксации носителей на основное состояние квантовых точек. В настоящей главе будет продемонстрировано, что в лазере на основе квантовых точек, работающем при малых токах накачки на основном оптическом переходе (ground state - GS), при увеличении накачки возникает дополнительная спектральная компонента,
22
соответствующее возбужденному оптическому переходу (exited state - ES). Было обнаружено, что интенсивность GS компоненты с увеличением тока накачки насыщается и затем остается постоянной. Дальнейшее увеличение выходной- мощности обеспечивается за счет роста интенсивности излучения на возбужденном оптическом переходе (ES). Поскольку основной интерес в большинстве случаев представляет мощность, излучаемая на основном оптическом переходе в спектральном диапазоне около 1.3 мкм, нами также рассмотрены варианты конструкции лазера для достижения максимальной мощности с основных состояний. Уровень насыщенной выходной мощности на основном оптическом переходе зависит от конструкции волноводной области и в первую очередь от количества квантовых точек в ней. Также ключевую роль играет отношение суммарных оптических потерь к насыщенному усилению на оптическом переходе основного состояния.
Исследуемая лазерная структура была выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке я-GaAs. Активный слой с квантовыми точками формировался путем осаждения 2.5 монослоев InAs с последующим заращиванием покровным слоем In0 isGao.8$As толщиной 5 нм. Всего осаждалось 5 слоев квантовых точек, разделенных спейсерами GaAs толщиной 30 нм. Исследования лазерных диодов с широким полоском (100 мкм) показало, что лазерная генерация в достаточно длинных диодах происходила через основное состояние на длине волны 1.27 - 1.28 мкм, а в более коротких - через первое возбужденное вблизи длины волны 1.2 мкм. При генерации через основное состояние внешняя дифференциальная эффективность достигала значений 84%, что,
23