11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

11.1. РАЗРАБОТКА ПОЛОСКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

В гл. 10 рассматривался принцип работы полупроводниковых лазеров. Цель настоящей главы — более детальное описание некоторых полупроводниковых лазеров, предназначенных для использования в оптических системах связи. Будут рассмотрены их конструкции, электрические и оптические характеристики. Основные требования, предъявляемые к лазерному источнику для связи:

а) непрерывный или квазинепрерывный режим работы при температуре не ниже комнатной;

б) срок службы порядка (12 лет), в течение которого не должно происходить чрезмерного ухудшения характеристик, а вероятность отказа должна оставаться низкой;

в) низкий пороговый ток

г) широкая полоса модуляции;

д) линейная зависимость выходной мощности от тока;

е) малая излучающая площадь, позволяющая получить высокий коэффициент связи с волокном;

ж) высокая кратковременная и долговременная стабильность мощности;

з) высокая яркость;

и) высокая монохроматичность.

В этой главе выясним, в какой степени полупроводниковые лазеры могут удовлетворить этим требованиям.

Необходимо отметить, что надежность источника света — один из основных факторов, сдерживающих внедрение волоконных систем в телефонную связь. Первые полупроводниковые инжекционные лазеры выходили из строя через несколько минут, и даже после разработки приборов на основе двойной гетероструктуры срок службы в несколько часов считался нормальным. Каждый, кто имел дело с проектированием или разработкой электронной аппаратуры, знает, что всегда имеется много причин, по которым какой-либо конкретный прибор может оказаться неработоспособным. Изучение работы полупроводниковых лазеров выявило большое число возможных механизмов деградации. Одна из серьезных проблем — выявление причин деградации и улучшение рабочих характеристик. Здесь будет рассмотрен общий подход и некоторые из предложенных решений. Желающие познакомиться с вопросом более глубоко могут воспользоваться специальной литературой 17.1], [10.1], [10.2] или какой-либо из многочисленных обзорных статей, например [11.1].

Первый полупроводниковый лазер был изготовлен в 1962 г. В нем

Рис. Зависимость пороговой плотности тока от толщины активного слоя. Кружочками обозначены экспериментальные точки, полученные Пнпкасом с соавторами. [GaAs-А 1.xGaxAs dauble heterostracture lasers-effect of cioping on lasirig characteristics of GaAs.-J- Appi. Phys. 43, 2827 - 35 (1972).] Они относятся к лазеру с резонатором длиной 380 мкм. Степень легирования активного слоя Доля алюминия в ограничивающем слое Крестики соответствуют экспериментальным значениям, полученным в работу Н. Kressel and М. Ettenberg, Lovetfireshold double heterojunction AIGaAs/GaAs laser diods; theory and experiment. - J. Appi. Phys. 47, 3533 - 7 (1976). Они получены на диодах с площадью активной области 500X100 при концентрации примесей (отсутствие легирования). В ограничивающем слое

использовался диффузионный гомопереход на GaAs. Таким образом, толщина активного слоя определялась диффузионной длиной, поскольку отсутствовали внешние средства оптического или токового ограничения. Пороговая плотность тока при комнатной температуре в первых приборах составляла и возможен был только импульсный режим работы. Охлаждение перехода сопровождалось снижением пороговой плотности тока, которая при температуре жидкого азота (77 К) доходила до Самая высокая температура, при которой еще удавалось поддерживать непрерывный режим, лежала в районе 200 К.

В 1968-1970 гг. была разработана описанная в гл. 9 технология, в результате чего появились гетеропереходы на основе Качество этих переходов позволило получить высокую внутреннюю квантовую эффективность и осуществить лазерный режим работы. Типичный лазер на одинарной гетероструктуре содержал между GaAs и GaAlAs с интервалом в несколько микрометров. В результате токового и оптического ограничения пороговую плотность тока при комнатной температуре удалось снизить до Вскоре была обнаружена возможность изготовить двойную гетеростр что привело к дальнейшему уменьшению пороговой плотности тока. Согласно формуле должна быть пропорциональна толщине активного слоя Экспериментальные результаты, представленные на рис. 11.1, подтверждают это. Коэффициент оптического ограничения снижается в области, где становится меньше 0,5. Это приводит к некоторому возрастанию минимального значения

, которое в приведенном примере составило при толщине Такая малая величина пороговой плотности тока позволяет работать в непрерывном режиме при комнатной температуре, тем самым оказывается выполненным первое из перечисленных ранее требований. Можно добиться еще меньших значений если увеличить скачок показателя преломления в гетероструктуре и тем самым уменьшить толщину активного слоя без снижения Имеются сообщения, что в диодах, использующих удалось получить при Изменение показателя преломления на границе между активным и ограничивающим слоями гетероструктуры при этом составляло 0,4.

Приведенный в гл. 10 теоретический анализ полупроводникового лазера был сделан в одномерном приближении, причем

Рисунок (см. скан)

неоднородностями активного слоя в параллельно: p-n-переходу плоскости пренебрегали. Это, по-видимому, справедливо для типичного «широкого» лазера, в котором площадь перехода может составлять

Однако имеется ряд соображений, в силу которых желательно уменьшить ширину активного слоя. К ним относится, во-первых, возможность снижения при этом рабочего тока. Так, если Упор остается неизменным и равным то уменьшение от 100 до 10 мкм могло бы снизить пороговый ток с 1 А до Благодаря этому существенно упростится схема управления, особенно при работе на высоких частотах. Во-вторых, уменьшение излучающей площади позволяет улучшить коэффициент связи с волокном. В-третьих, может быть улучшена линейность зависимости выходной мощности от управляющего тока. Этими достоинствами и объясняется широкое применение «полосковой геометрии» в лазерах для

Рис. 11.2. (см. скан) Схематическое изображение устройства лазеров с полосковой геометрией: а — оксидное изолирование; б - изолирование протонной бомбардировкой или кислородной имплантацией; в — использование диффузии циика; г - зарощениая гетероструктура; д - зарощенная полосковая гетероструктура Хотя все иллюстрации относятся к GaAlAs/GaAs лазерам, те же методы могут быть испольэоваиы и при изготовлении длинноволновых InGa AsP/InP систем

связи. Как показано на рис. 9.18, аналогичная техника используется и в светоизлучающих диодах с торцевым излучением.

Полосковая геометрия может быть выполнена различными способами, некоторые из которых схематически представлены на рис. 11.2. При использовании для формирования полоски оксидных высокоомных слоев, получаемых протонной бомбардировкой или диффузией цинка (рис. 11.2, а — в), достигается локализация оптической мощности или носителей тока. При этом ток локализуется в полоске шириной менее 10 мкм. Такие приборы носят название лазеров с «волноводным усилением» (gain- guided), поскольку свет локализуется в области с максимальной инверсией населенности, которая в свою очередь определяется распределением плотности тока. Значительно более сильная боковая локализация обеспечивается в конструкциях, представленных на рис. 11.2, г, д, которые называются «зарощенными гетероструктурами» (buried heterostructure). В таких лазерах образуется «волноводный канал» (index-guided), так как заращивающий слой GaAlAs с пониженным показателем преломления образует границу волновода и ограничивает оптическое излучение, в то время как граница гетероперехода ограничивает носители тока. Структура, показанная на рис. 11.2, г, может быть получена из обычного лазера на двойной гетероструктуре вытравливанием n-GaAlAs слоя с любой стороны активной полоски и последующим выращиванием и p-GaAlAs слоев на вытравленной области. В зарощенной гетероструктуре ширина полоски может быть доведена до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток до и менее, но при этом полная излучаемая в воздух мощность не превышает 1 ... 2 мВт. Лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют получить генерацию в одной моде, обладают лучшей временной стабильностью и повышенной линейностью мощности выходного излучения. В связи с этим они становятся наиболее перспективными для волоконно-оптической связи, несмотря на технологические трудности при их изготовлении.