Быстродействующие температурно-стабильные микролазеры

Abstract

Исследованы инжекционные микродисковые лазеры на GaAs и Si подложках, с активной областью на основе квантовых точек различного типа. Показана возможность работы в непрерывном режиме без термостабилизации при комнатной и повышенных температурах, низкопороговой генерации, прямой модуляции с частотой до 6 ГГц. Основные результаты: 1. Были созданы микродисковые лазеры диаметром 10-31 мкм на основе гетероструктур с активной областью, представляющей собой квантовые точки (КТ) Странского-Крастанова InAs/InGaAs спектрального диапазона 1.28-1.3 мкм, либо формируемые на слабо-разориентированных подложках плотные массивы островков InGaAs (квантовые ямы-точки, КЯТ) спектрального диапазона около 1.1 мкм. Структуры были синтезированы на подложках GaAs. Кроме того, были исследованы микролазеры на основе КТ InAs/InGaAs, выращенные на подложках Si с использованием переходных буферных слоев и дислокационных фильтров. 2. Минимальное значение пороговой плотности тока в микролазерах с КТ InAs/InGaAs на GaAs, работающих при комнатной температуре в непрерывном режиме без принудительного охлаждения, составляет 250 А/см2 (D=31 мкм), что является рекордно-низким значением для микролазеров на КТ. В микролазерах на Si подложках такого же диаметра и с таким же типом активной области минимальное значение пороговой плотности тока составило 600 А/см2 . В микролазерах с активной областью на основе массива КЯТ значительный вклад в порог генерации дает безызлучательная поверхностная рекомбинация, что было приписано меньшей глубине локализации носителей заряда в такой активной области по сравнению с КТ InAs/InGaAs; минимальное значение пороговой плотности тока равно 800 А/см2 . 3. Максимальная рабочая температура лазерной генерации при непрерывной накачке микродисоков на GaAs составила 100-110оС и на Si 60оС, что является рекордным значением для микролазеров соответствующего типа. Удельное тепловое сопротивление в обоих случаях составило около 4×10–3 оС×см2 /мВт, что в несколько раз ниже, чем у микролазеров на InP. Оцененная с помощью малосигнального анализа наибольшая частота прямой модуляции (по уровню –3 дБ) превысила 6 ГГц (Рис. 1). При этом частота f3dB в случае отсутствия температурной стабилизации микролазеров практически не изменяется (6.51 ГГц против 6.72 ГГц) по сравнению со случаем стабилизации микролазера с температурой 18оС. 4. Впервые исследована временная стабильность микродисковых лазеров. При 60оС и постоянном токе накачки снижение выходной мощности происходит с темпом около 0.01%/час. Это позволяет предварительно оценить срок службы при повышенной температуре не хуже 3.8×103 часов. Таким образом, продемонстрированная к настоящему времени совокупность характеристик микродисковых лазеров с квантовыми точками позволяет ожидать реализацию с их помощью лазерных микроизлучателей для систем оптической передачи данных, в том числе на кремнии, работающих без термостабилизации со скоростями по крайней мере 10 Гб/сек.