Способ определения времени жизни электронов в активной области полупроводникового инжекционного лазерного диода

Изобретение относится к области оптических информационных технологий, в частности к методам диагностики динамических параметров лазеров, используемых в волоконно-оптических линиях связи и определяющих скорость передачи импульсно-кодовой информации. Способ определения времени жизни носителей в активной области полупроводникового инжекционного лазерного диода включает измерение амплитудно-частотной характеристики лазерного диода, по которой определяют время жизни электронов. Согласно изобретению лазерный диод снабжен внешним перестраиваемым резонатором, состоящим из микрообъектива и плоского зеркала, с помощью юстировки которого получают генерацию излучения с максимальной постоянной составляющей выходной лазерной мощности W на максимальной длине внешнего резонатора L_out, в качестве амплитуды выбирают переменную составляющую тока инжекции δI(Δv) на частоте биений продольных мод внешнего резонатора Δv=c/2(L_out+nL_in), при постоянном значении W уменьшают длину внешнего резонатора L_out до величины L*_out, соответствующей уменьшению переменной составляющей тока инжекции δI(Δv) в √2 раз, и определяют время жизни электронов из предложенного соотношения, связывающего упомянутые величины. Изобретение обеспечивает расширение диапазона измерения времени жизни носителей активной области полупроводниковых лазеров (возможность измерения в пикосекундной области) при упрощении инструментальной базы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области оптических информационных технологий, в частности к методам диагностики динамических параметров лазеров, используемых в волоконно-оптических линиях связи и определяющих скорость передачи импульсно-кодовой информации, например, по сети Интернет.

Известен способ определения времени жизни носителей в полупроводниках (время спонтанной рекомбинации), в частности в фотодетекторах, основанный на исследовании динамического отклика фотодетектора при облучении его активной области лазерными импульсами с длительностью меньшей, чем постоянная времени фотодетектора (Техника оптической связи. Фотоприемники, под. ред. У.Тсанга. М: Мир. 1988). Однако данный способ может быть использован только для определения времени жизни полупроводниковых диодов с планарным расположением p-n перехода. Диаметр активной области сверхбыстродействующих фотодиодов может составлять порядка сотни микрон, однако в полупроводниковых инжекционных лазерах активная область вдоль p-n перехода менее 10 микрон, а поперек - менее 0.3 микрон, что приводит к существенным трудностям ввода зондирующего внешнего лазерного излучения, тем более что для зондирования необходимо просвечивания всего резонатора лазера длиной 300-500 микрон.

Известен способ определения времени жизни носителей в полупроводниковых инжекционных лазерах при модуляции тока инжекции лазерного диода электрическими импульсами и исследование импульсной модуляции выходной оптической мощности (Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры. Под ред. У.Тсанга. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 320 с.).

Однако при импульсной модуляции лазера на переднем фронте огибающей оптического импульса возникают релаксационные колебания, лежащие при типичных параметрах в СВЧ области, которые существенно искажают импульсные характеристики при времени жизни электронов, сравнимых с периодом релаксационных колебаний, т.е. при типичных временах порядка 1 нс.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является частотный способ определения времени жизни носителей τ в активной области полупроводниковых лазеров при амплитудной модуляции тока инжекции в полосе частот, соизмеримых с временем жизни носителей, измерении амплитуды переменной составляющей выходной мощности лазера δP(f) и определении времени жизни τ по уменьшению δР с ростом частоты модуляции f, т.е. измерении амплитудно-частотной характеристики полупроводникового лазерного диода (Гауэр Дж. Оптические системы связи. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988).

Однако при практической реализации данного способа возникают технические трудности, связанные с СВЧ модуляцией интенсивности излучения инжекционного лазера, так как в этой области частот проявляется комплексный характер сопротивления p-n перехода, что вызывает неконтролированное изменение глубины модуляции тока инжекции при изменении частоты СВЧ генератора. На частотах модуляции, соизмеримых с обратным временем жизни носителей τ, возникают релаксационные колебания, искажающие динамический отклик лазера и соответственно трудность измерения τ. Кроме того, существующие сверхбыстродействующие фотоприемники (лавинно-пролетные фотодиоды и pin-фотодиоды), с помощью которых измеряется переменная составляющая выходной мощности излучения лазерного диода, имеют постоянную времени порядка одной наносекунды, что ограничивает полосу диагностируемых частот величиной 1 ГГц.

Задачей изобретения является расширение диапазона измерения времени жизни носителей активной области полупроводниковых лазеров (возможность измерения в пикосекундной области) при упрощении экспериментальной установки.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения времени жизни носителей в активной области полупроводникового инжекционного лазерного диода, включающем измерение амплитудно-частотной характеристики лазерного диода, по которой определяют время жизни электронов, согласно решению лазерный диод снабжен внешним перестраиваемым резонатором, состоящим из микрообъектива и плоского зеркала, с помощью юстировки которого получают генерацию излучения с максимальной постоянной составляющей выходной лазерной мощности W на максимальной длине внешнего резонатора L_out, в качестве амплитуды выбирают переменную составляющую тока инжекции δI(Δv) на частоте биений продольных мод внешнего резонатора Δv=c/2(L_out+nL_in), при постоянном значении W уменьшают длину внешнего резонатора L_out до величины L*_out, соответствующей уменьшению переменную составляющую тока инжекции δI(Δv) в √2 раз и определяют время жизни электронов из соотношения

где L*_out - длина перестраиваемого внешнего резонатора, соответствующая уменьшению δI в √2 раз;

L_in - длина лазерного кристалла;

n - показатель преломления активной области p-n перехода;

с - скорость света.

В качестве лазерного диода выбирают кристалл с просветляющим покрытием на выходной грани, обращенной к внешнему резонатору.

Максимальная длина внешнего резонатора выбирается из соотношения L_out >> τ c.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 - блок-схема устройства для иллюстрации способа реализации изобретения, на фиг.2 блок-схема установки для исследования лазерного гетеродинного оптогальванического эффекта в лазерном диоде с перестраиваемым внешним резонатором, на фиг.3 - перестроечная зависимость частоты биений продольных лазерных мод Δv (в ГГц) от длины резонатора L_out (в см), определяемая из соотношения Δv=c/2(L_out+nL_in), на фиг.4 - экспериментальная зависимость нормированной переменной составляющей тока инжекции GaAlAs полоскового лазера (λ=0.82 мкм) от частоты межмодовых биений (ГГц) лазерного диода с перестраиваемым внешним резонатором, где: 1 - внешнее плоское 100% отражающее на длине волны излучения лазера зеркало, образующее внешний резонатор совместно с выходной гранью активного элемента лазерного диода, 2 - микрообъектив с числовой апертурой, сравнимой с расходимостью излучения полупроводникового лазерного диода, 3 - лазерный кристалл (лазерный диод) с выходной гранью, обращенной к внешнему резонатору, имеющей просветляющее покрытие, 4 - источник питания лазерного диода, 5 - СВЧ анализатор спектра типа С4-60, 6-50-омное сопротивление, 7 - лавинный фотодиод ЛФД-2 с постоянной времени 300 пс для измерения амплитуды биений лазерных мод и постоянной составляющей выходной лазерной мощности лазерного диода с внешним резонатором, 8 - измеритель постоянной составляющей выходной лазерной мощности W.

В основе метода лежит оптогальванический эффект, впервые обнаруженный в газоразрядных лазерах при внутрирезонаторной модуляции потерь и вызывающей модуляцию тока разряда (Imazu S., Hirasawa S., Yoshida N. // Jap. J. Appl. Phys. 1972. V.11. N6. P.920-921). Механизм оптогальванического эффекта связывается с влиянием вынужденного излучения на скорость ионизации уровней в газоразрядном лазере, например в атомарном He-Ne или в молекулярном CO₂ лазерах, при этом коэффициент преобразования глубины модуляции лазерной мощности в глубину модуляции тока составляет характерные величины 10^-2-10^-3 (Очкин В.П., Преображенский Н.Г., Соболев Н.Н. и др. // УФН. 1986. Т.148. N3. С.473-507).

Подавление вынужденных процессов генерации увеличивает населенность верхнего лазерного уровня, что соответственно вызывает дополнительный вклад в ток разряда за счет каскадной ионизации с верхнего лазерного уровня, поэтому динамический оптогальванический эффект может быть использован для определения времени жизни верхнего уровня.

Оптогальванический эффект наблюдается в полупроводниковых лазерах, однако при этом полупроводниковый лазер должен быть с внешним резонатором, в котором осуществляется модуляция потерь во внешнем резонаторе, вызывающая соответствующую модуляцию лазерной мощности, которая преобразуется в модуляцию тока инжекции (Ву Ван Лык, Елисеев П.Г., Манько М.А., Микаелян Г.Т. // Квантовая электроника, 1982, Т.9, N9, С.1851-1853).

Скоростные уравнения, описывающие взаимодействие лазерного излучения с активной полупроводниковой средой, имеют вид

где I - плотность тока инжекции, d - толщина активной области, n - концентрация электронов, n_th - пороговая концентрация электронов, n_ph - эффективное число фотонов в лазерной моде, В - коэффициент, определяющий скорость индуцированной рекомбинации в единице объема за секунду, τ_sp - среднее время жизни фотона в резонаторе, τ_ph - время жизни электрона в активной области p-n перехода (время спонтанной рекомбинации). Эти нелинейные уравнения показывают связь плотности фотонов (лазерной мощности) в резонаторе лазера с концентрацией электронов в активной области p-n перехода лазера и подавление лазерной мощности должно приводить к возрастанию тока инжекции, т.е. оптогальваническому эффекту.

Нами был экспериментально обнаружен и исследован нелинейный оптогальванический эффект в СВЧ диапазоне, обусловленный детектированием лазерных мод внешнего резонатора в активной области p-n перехода полупроводникового лазера и наблюдаемый с помощью СВЧ анализатора спектра (С4-60), сигнал на который подавался с 50-омного сопротивления, включенного в цепь питания (накачки) инжекционного лазера, как показано на фиг.2. При использовании сверхбыстродействующего фотоприемника (ЛФД-2), детектирующего выходное излучение лазера, наблюдались биения лазерных мод на частоте Δv=c/2(L_out+nL_in).

Нетрудно видеть, что частота биений лазерных мод практически обратно пропорциональна длине внешнего резонатора, так как типичная длина лазерного кристалла 250-300 микрон, показатель преломления активной среды GaAs равен 4 и соответствующий в длину резонатора составляет повеличину 1 мм и соответствующая поправка в общую длину резонатора не превышает 1% при длине внешнего резонатора 10 см. Перестроечная зависимость частоты биений лазерных мод от длины резонатора представлена на фиг.3. Нетрудно видеть, что при длине внешнего резонатора равном 15 см частота биений Δv равна 1 ГГц, а при 5 см Δv=3 ГГц, при L_o=3 см Δv=5 ГГц. Таким образом, изменением геометрической длины резонатора можно эффективно перестраивать межмодовое частотное расстояние и соответственно перестраивать частоту биений мод в мегагерцевой и гигагерцовой областях. Оптогальванический эффект в p-n переходе активной области лазерного диода играет роль такого фотодетектора и осуществляет динамический фотоэффект. Перестраивая длину внешнего резонатора полупроводникового инжекционного лазера и измеряя переменную составляющую тока инжекции на частоты биений мод внешнего резонатора, возможно определение времени жизни электронов в активной области лазерного диода.

Способ осуществляется следующим образом. С помощью источника тока (4) устанавливают постоянное значение тока инжекции в лазерном диоде (3), соответствующее режиму генерации. Фокус микрообъектива (2) совмещают на торце лазерного кристалла с излучающей активной областью p-n перехода для получения соосного нерасходящегося оптического пучка. С помощью внешнего плоского зеркала с коэффициентом отражения, близким к 100% и расположенным на максимальной длине L_out, получают генерацию в лазерном диоде с внешним резонатором, фиксируют уровень постоянной выходной лазерной мощности W с помощью фотодетектора (7), измеряют переменную составляющую фототока δI(Av) на частоте биений лазерных мод Δv=c/2(L_out+nL_in). Уменьшают длину внешнего резонатора L_out при постоянном уровне выходной мощности W и соответственно увеличивают частоту биений лазерных мод Δv до уменьшения переменной составляющей тока инжекции δI(Δv) в √2 раз и определяют время жизни электронов из соотношения

τ=2(L*_out+nL_in)/c.

Максимальная длина внешнего резонатора выбирается из соотношения L_out много больше τ с (типичная величина L_out порядка 1 метра и соответственно частота биений мод порядка 150 МГц).

При тестировании способа, для наблюдения спектра биений мод внешнего лазерного резонатора использовался сверхскоростной лавинно-пролетный фотодиод ЛФД-2 с постоянной времени 300 пс (7), переменная составляющая фототока ЛФД-2 снималась с 50-омной нагрузки (6) и поступала на вход анализатора спектра С4-60 (5). При изменении длины резонатора от метра до пяти сантиметров постоянная составляющая фототока ЛФД-2, пропорциональная выходной лазерной мощности W, и переменная, пропорциональная амплитуде сигнала биений лазерных мод, практически не изменялась, а сигнал переменной составляющей тока инжекции лазерного диода на частоте биений мод уменьшался, начиная с частот выше 1 ГГц, и соответствующая амплитудно-частотная характеристика отражала конечность времени жизни электронов в активной области полупроводникового лазера.

Результаты экспериментальной апробации предлагаемого способа и результаты зависимости переменной составляющей тока инжекции на частоте биений лазерных мод внешнего резонатора от изменения этой частоты биений при фиксированной мощности сигнала биений лазерных мод, представлены на фиг.4, а определение времени жизни электронов из соотношения (1) - позволило установить, что время жизни электронов в активной области p-n перехода лазерного диода составляет 0.78 нс, что согласуется с существующими оценками и литературными данными.

1. Способ определения времени жизни электронов в активной области полупроводникового инжекционного лазерного диода, включающий измерение амплитудно-частотной характеристики лазерного диода по которой определяют время жизни электронов, отличающийся тем, что лазерный диод снабжен внешним перестраиваемым резонатором, состоящим из микрообъектива и плоского зеркала, с помощью юстировки которого получают генерацию излучения с максимальной постоянной составляющей выходной лазерной мощности W на максимальной длине внешнего резонатора L_out, в качестве амплитуды выбирают переменную составляющую тока инжекции δI(Δv) на частоте биений продольных мод внешнего резонатора Δv=c/2(L_out+nL_in), при постоянном значении W уменьшают длину внешнего резонатора L_out до величины L*_out, соответствующей уменьшению переменной составляющей тока инжекции δI(Δv) в раз и определяют время жизни электронов из соотношения

где L*_out - длина перестраиваемого внешнего резонатора, соответствующая уменьшению δI в раз;

L_in - длина лазерного кристалла;

n - показатель преломления активной области р-n перехода;

с - скорость света.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве лазерного диода выбирают кристалл с просветляющим покрытием на выходной грани, обращенной к внешнему резонатору.