Джон Е. Спенсер и Престон Янг
Photodigm, Inc
I. Введение
Серия высокомощных лазерных диодов с выводом излучения вдоль структуры на распределенном брэгговском отражателе (DBR) от компании Photodigm основана на собственной технологии архитектуры DBR лазеров и процессе выращивания эпитаксальных слоев за один шаг. В структуре DBR лазерного диода можно выделить область усиления и отельную область DBR решетки, которую наносят поверх гребенчатого волновода, как показано на рис. 1. С помощью такого дизайна, компания Photodigm смогла стать производителем самых высокомощных одночастотных монолитных лазерных диодов в спектральной области от 740 нм до 1083 нм, выпускаемых серийно для применения в метрологии и спектроскопии. DBR лазеры от Photodigm идеально подходят для применений, использующих одночастотное излучение высокой мощности в строго определенном спектральном диапазоне. Компания Photodigm продолжает работать вместе со своими заказчиками для того, чтобы далее совершенствовать свою технологию и производить стабильные, надежные и точные источники излучения для применений в спектроскопии, атомной физике, нелинейной оптике и изготовлении волоконно-оптических усилителей.
Рисунок 1. Стадии изготовления DBR лазеров
от компании Photodigm.
DBR лазеры были одними из первых одночастотных лазеров, первые шаги в создании и развитии которых были предприняты в 1970-е годы. В 1990-е годы компания SDL стала производить такие лазеры в промышленных масштабах для применения в исследованиях, требующих резонанса с атомными переходами на 780, 852 и 1083 нм. Бум телекоммуникационных технологий в поздние 90-е и ранние 2000-е годы принудил производителей лазеров сфокусироваться на их возможности удовлетворить нарастающие аппетиты в области телекоммуникаций. Требования в использовании лазеров с низкой мощностью для спектрального уплотнения каналов были встречены только с началом применения лазеров с распределенной обратной связью (DFB). При этом, DBR лазеры для метрологии практически исчезли с рынка к началу 2000-х годов. Более того, лазеры на 1300 и 1550 нм, необходимые для телекоммуникационных технологий, изготавливались из фосфида индия (InP) – материала, который имеет более подходящий состав для изготовления DFB структур.
Несколько производителей шагнули вперед в 2002 году, создавая DFB лазеры, успешно применяемые в области телекоммуникаций. При этом, типично для DFB лазеров, их устройства имели сравнительно низкую мощность. Лазеры на основе арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), например, отличались сложным процессом изготовления полупроводниковой структуры и были малонадежны в работе, когда дело касалось применения в контрольно-измерительных приборах и работы на большей оптической мощности.
В 2007 году компания Photodigm представила свою линейку DBR лазеров, в основе которых лежит технология выращивания эпитаксальных структур за один шаг. Эти лазеры стали прямыми конкурентами DFB лазеров в спектральной области от 780 до 1083 нм. Целью компании было создание продукта, который будет работать на более высоких мощностях и с более высокой надежностью, чем DFB лазеры, а также создание технологии, которая позволит легко выйти на промышленные масштабы в производстве DBR лазеров. Более высокая производительность и надежность DBR лазеров от Photodigm дала им существенное преимущество по отношению к DFB лазерам. Это привело к широкой известности компании в области создания лазерных источников для применения в атомных ловушках, метрологии, создании контрольно-измерительных приборов, которые требуют высокой мощности, стабильности оптического излучения и возможности зафиксировать излучение на одной конкретной частоте.
II. DBR лазер от компании Photodigm.
Создание DBR лазера от Photodigm начинается с выращивания эпитаксальных слоев на подложке из GaAs. Инженеры компании Photodigm создают эпитаксальную структуру, используя оригинальное программное обеспечение, разработанное для внутреннего использования. Эпитаксальная структура состоит из одной или нескольких высокопреломляющих квантовых ям, окруженных слоями с низким коэффициентом преломления, которые будут формировать волновод. Далее, следом за выращиванием эпитаксального слоя, создается лазерная структура с особенностями поверхностного рельефа, определяющими монолитный одномодовый гребенчатый волновод, который располагается вдоль всей длины устройства. Резонатор лазера состоит из активной области усиления, возбуждаемой электрическим зарядом, и пассивной DBR области, располагающихся на волноводной гребенчатой структуре. Область усиления вытравлена до необходимой глубины для генерации одночастотного излучения при инжекции электрического заряда в квантовую яму. Пассивная DBR область это Брэгговское зеркало с селекцией по длине волны, которое обеспечивает обратную связь в узкой спектральной области. При наложении полосы отражательной способности DBR и области усиления эпитаксальной структуры, DBR зеркало выделяет одну продольную моду с самым высоким значением усиления, получая при этом высокостабильное лазерное излучение на определенной длине волны. На одном конце объемный резонатор определяется высокоотражательным DBR зеркалом и пассивированной сколотой выходной гранью с анти-отражающим (AR) покрытием на другом конце. Выходная грань с AR покрытием служит для вывода дифракционно-ограниченного излучения.
Рисунок 2. Диаграмма поперечного
сечения структуры DBR лазера.
Характерной особенностью такого устройства лазера является поверхностная дифракционная решетка, которая вытравлена в полупроводниковом поверхностном слое над квантовыми ямами в пассивной области гребенчатого волновода. Однако, волноводная мода сильно связана с DBR. Она периодически отражается на резонансной длине волны решетки. Не резонирующие с DBR продольные моды не испытывают обратную связь и теряются. DBR зеркало состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким коэффициентами преломления. В DBR, изготовленной методом травления, материал с высоким коэффициентом преломления является зубьями решетки, а пространства между ними заполнены диэлектриком с низким коэффициентом преломления. DBR структура от Photodigm может иметь до 2000 зубьев решетки на DBR зеркале, размером 500 мкм. Высокий контраст в коэффициентах преломления становится результатом резонансной отражательной способности Брэгговского зеркала, которая может превышать 90 %.
III. DFB лазер
DFB лазер и DBR лазер имеют много общего, прежде всего это узкая спектральная линия и возможность настройки частоты. В то время как DBR лазеры имеют Брэгговский отражатель отдельно от области усиления, DFB лазеры имеют структуру с обратной связью, которая состоит из слабоотражающего Брэгговского отражателя с низким контрастом, распределенного вдоль всей длины гребенчатого волновода в области усиления. Отсюда и происходит название лазера с распределенной обратной связью. В отличие от DBR лазера, структура которого выращивается за один шаг, в DFB структуре решетка должна быть под слоем с высоким показателем преломления, эпитаксально выращенным поверх решетки для формирования волновода (рис. 3). Разница в создании структур ведет к критическим отличиям между рабочими характеристиками лазеров.
Рисунок 3. Диаграмма поперечного сечения структуры DFB лазера.
Эпитаксальный слой DFB лазера начинается со структуры квантовых ям с высоким коэффициентом преломления, расположенной между двумя слоями с низким коэффициентом преломления. Область усиления в волноводе создается вдоль всей длины лазерной структуры при травлении верхнего слоя. Область решетки создается схожим образом вдоль всей области усиления. Для того, чтобы локализовать моду и получить желаемый отклик решетки, слой с низким показателем преломления должен быть выращен поверх слоя с вытравленной в нем решеткой. Также выращивается сильнолегированный верхний защитный слой для ввода тока. Основная черта DFB лазера – это скрытая дифракционная решетка в глубине структуры.
Учитывая, что DFB лазер создается для получения обратной связи вдоль всей
области усиления, необходимости в использовании торцевых зеркал нет. Однако, в
случае идеальной симметрии, противоположные отражения на Брэгговской длине
волны находятся в антирезонансе, и генерация лазерного излучения не происходит
на Брэгговской длине волны. Вместо этого, образуются две эквидистантные моды и
генерируется излучение около Брэгговской длины волны. Для того, чтобы получить
одиночную продольную моду, лазер создается с нарушением симметрии, которое
достигается с помощью анти-отражающего покрытия на одном конце, которое
выбирает одну из двух мод, на которой и работает лазер.
IV. Различия между DBR и DFB лазерами
Главное отличие между двумя лазерами – это расположение решетки в эпитаксальной структуре. DBR лазер использует высокоотражающую поверхностную дифракционную решетку, DFB лазер имеет скрытую дифракционную решетку в глубине структуры с низкой отражательной способностью. Изготовление лазеров этих типов начинается с тщательного изготовления подложки с эпитаксальным слоем, которое опирается на сложные техники изготовления полупроводниковых структур методами травления, литографии и химического осаждения из газовой фазы. Однако, после изготовления гребенчатого волновода и дифракционной структуры, для изготовления DFB лазерной структуры необходим еще один шаг дальнейшего выращивания эпитаксальной структуры для получения решетки с распределенной обратной связью с низким показателем преломления.
Процесс вторичного роста в GaAs/AlGaAs материалах для лазерных диодов между 740 нм и 1083 нм достаточно сложен. Al и GaAs способны реагировать с кислородом. Эпитаксальный поверхностный слой подвергается атмосферному окислению и контаминации в процессе создания DFB лазера во время первого и второго шагов выращивания структуры. Влияние этих явлений на производительность лазера было тщательно исследовано в институте Пауля Друде в Германии в 2001 году (1). Они обнаружили увеличение внутренних потерь в результате вторичного роста структуры примерно в 2 раза в устройствах на квантовых ямах из GaAs (822 нм) и InGaAs (986 нм). Коэффициент усиления лазеров на AlGaAs также падал в два раза, а для лазеров на InGaAs увеличивался. Увеличение в коэффициенте усиления в устройствах на 986 нм было связано с последующим шагом терморелаксации, который не имел никакого влияния на устройства на 822 нм. Исследователи заключили, что низкая производительность устройств, изготавливаемых с шагом вторичного роста эпитаксальной структуры, связана с остаточной контаминацией во вторичных структурах, которая создает дефектные состояния. Эти состояния могут вести себя как безызлучательные центры рекомбинации. Более низкая концентрация дефектов в структуре DBR лазеров становится результатом более высокой мощности излучения и увеличивает надежность по сравнению с DFB лазерами. DBR лазеры от Photodigm типично имеют более низкий пороговый ток и уровни номинальной мощности, в 3 раза превышающие мощности DFB лазеров на одной и той же длине волны. Большое количество пользователей подтвердили, что у DBR лазеров более узкая спектральная ширина по сравнению с DFB лазерами. Компания Photodigm уверена, что причиной этому дефекты в эпитаксальной структуре, которые появляются в результате процесса вторичного роста.
Проблемы, возникающие из-за процесса вторичного роста эпитаксальной структуры, привели к многочисленным попыткам создавать DFB лазеры без этого шага. Были предложены DFB лазеры, использующие боковые горизонтальные решетки вместо гребенчатых волноводов (2) и стали доступны на рынке, но до сегодняшнего времени, они работают только на мощностях до 25 мВт, и поэтому не способны конкурировать с DBR лазерами в ближней инфракрасной области.
Другим существенным различием между двумя лазерными структурами является селекция мод. DBR лазер работает только на одиночной продольной моде, которая обладает наивысшим уровнем усиления в области наложения кривой отражательной способности Брэгговского отражателя и полосы усиления эпитаксальной структуры. Когда ток проходит через область усиления волновода, он испытывает нагрев с последующим сдвигом красной области полосы усиления. Пассивная DBR область устройства имеет фиксированную спектральную отражательную способность. Так как работа лазера настраивается с помощью изменения тока или температуры, длина волны моды генерируемого лазерного излучения будет монотонно меняться, если кривая усиления эпитаксальной структуры сдвинется. Однако, спектральная отражательная способность DBR решетки не меняется, так как ток не течет через нее. Во время сдвига моды генерируемого лазерного излучения, она сдвигается к части DBR с более низкой отражательной способностью. В итоге, другая мода выбирается с помощью DBR зеркала, и эта новая мода будет усиливаться. Таким образом, настройка длины волны является детерминированной и предсказуемой.DFB лазер работает на двух эквидистантных модах около Брэгговской длины волны решетки. Для того, чтобы лазер работал на одной моде, необходимо, как уже говорилось ранее, убрать симметрию, что достигается как правило с помощью анти-отражающего покрытия на одном из торцов. Спектральное окно вокруг пропавшей моды называется полосой затухания, на этой полосе лазер не будет излучать. Учитывая, что область решетки и область усиления испытывают нагрев из-за инжекции заряда, обе эти области будут монотонно настраиваться без скачка в моде на большом диапазоне. В итоге, с уменьшением усиления лазер становится нестабильным, и появляется новая мода.
Пользователи DFB и DBR лазеров получают значительно разное поведение выходных характеристик во время работы лазера. С увеличением тока, DBR лазер будет перестраиваться монотонно с примерным наклоном характеристики в 0,002 нм/мА. Как правило, скачок в моде происходит при области дисперсии до 0,15 нм, в зависимости от устройства. На рис. 4 показана типичная кривая перестройки DBR лазера, которая показывает детерминированное поведение скачка моды. DFB лазер перестраивается с похожей характеристикой. Однако, учитывая отражательную способность решетки и сопутствующий сдвиг эпитаксальной структуры, область дисперсии DFB лазера будет намного выше чем у DBR. Это может быть 2-3 нм для DFB лазера при сдвиге в красную область. Как правило, настройка скачка моды в DFB лазерах выше чем в DBR лазерах, что часто считают за преимущество одних перед другими. Но, когда происходит скачок, для DFB лазеров он не является детерминированным, и при этом остается провал в диапазоне перестройки. В результате такого поведения, производители DFB лазеров зачастую предлагают выбрать вариант лазера, с заранее известным поведением скачка моды.
Рисунок 4. Типичная кривая перестройки DBR лазера от компании Photodigm. С увеличением тока и последующим нагревом устройства, длина волны излучения лазера сдвигается в красную область спектра. В итоге, мода с большим усилением сдвигается в коротковолновую область спектра. Как следствие, настройка длины частоты лазера является детерминированной.
Высокие плотности тока в лазерных диодах, превышающие несколько А/см2, вызывают старение материала усиливающей области. Со старением этого материала, происходит увеличение тока, что ведет к сдвигу в красную область кривой усиления. Так как решетка DBR лазера изготавливается в пассивной области гребенчатого волновода, спектр отражательной способности DBR остается зафиксированным. Когда полоса усиления эпитаксальной структуры значительно сдвигается в красную область, и мода, генерируемая лазером, не является больше модой с самым высоким усилением, новая мода на более короткой длине волны подхватывает усиление и становится генерирующей модой. Лазер испытывает скачок моды в голубую коротковолновую область спектра, который возвращает длину волны предыдущей моды, обеспечивая непрерывную перестройку в определенном диапазоне. Этот диапазон будет зависеть от конкретного дизайна устройства и процесса его изготовления.
В DFB лазерах, так как ток течет через решетку и квантовые ямы сразу, они стареют с одинаковой скоростью, при этом происходит сдвиг в красную длинноволновую область. Учитывая, что полоса отражательной способности решетки меньше, чем полоса усиления эпитаксальной структуры, к определенному времени отражательная способность решетки падает до такой степени, что мода лазерной генерации больше перестает быть модой с наибольшим усилением. Однако, не существует механизма для того, чтобы вернуть генерацию лазерного излучения на более короткие длины волн. Происходит скачок в моде через полосу затухания до более длинной волны излучения, в результате чего появляется некая дискретность в диапазоне перестройки лазера (3) – см. рис 5. Когда, например, резонансная линия рубидия попадает в этот провал в перестройке длины волны, лазер начинает работать неэффективно.
Рисунок
5. Типичная кривая перестройки DFB лазера. С увеличением тока и последующим нагревом устройства,
длина волны излучения лазера сдвигается в красную область спектра. В итоге, мода
с большим усилением сдвигается в красную область спектра, оставляя провал в
диапазоне перестройки лазера.
V. Краткие выводы
DFB и DBR лазеры являются на данный момент наиболее распространенными типами высокомощных одночастотных полупроводниковых лазеров. Оба типа предлагают высокую эффективность работы и выдающуюся стабильность частоты, благодаря чему они находят широкое применение в метрологии. Невзирая на большое количество сходств, структуры DFB и DBR лазеров значительно отличаются, что влияет на их качество работы в различных научных приложениях.
За последнее время DBR лазеры от Photodigm продемонстрировали отличные рабочие характеристики, в особенности в приложениях, требующих использование одночастотного излучения высокой мощности в строго определенном спектральном диапазоне. Отличительная черта в структуре DBR лазеров от Photodigm, отдельная пассивная область DBR, определила успех и преимущество DBR лазеров компании Photodigm над DFB лазерами.
Литература
- M. Wassermeier, R. Hey, M. Horicke, and E. Wiebicke, Semicond. Sci. Technol.
16:L40-L43. - R. Tiberio, P.F. Chapman, Electronics Letters 30:1058-1060 (1994).
- Klehr, A.; Wenzel, H.; Brox, O.; Erbert, G.; Nguyen, T-P.; Trankle, G. (2009). "High power DFB lasers for D1 and D2 rubidium absorption spectroscopy and atomic clocks". Proc. of SPIE 7230: 72301I-1–8. doi:10.1117/12.805858
Вы можете получить любую дополнительную информацию о продукции и технологиях Photodigm, обратившись к специалистам нашей компании.
