Выпуск #2/2018
Д. Е. Спенсер, П. Янг
Сравнение DBR-лазерных диодов от компании Photodigm с DBF-лазерами
Сравнение DBR-лазерных диодов от компании Photodigm с DBF-лазерами
Просмотры: 3256
DFB- и DBR-лазеры имеют много общего: это, прежде всего, узкая спектральная линия и возможность настройки частоты. В отличие от DBR-лазера, структура которого выращивается за один шаг, в DFB-структуре решетка должна располагаться под слоем с высоким показателем преломления, выращенным поверх решетки. Разница в создании структур ведет к критическим отличиям между рабочими характеристиками лазеров.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.70.2.166.173
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.70.2.166.173
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 отдельную область DBR-решетки, которую наносят поверх гребенчатого волновода (рис. 1). С помощью такого дизайна компания Photodigm сумела занять позицию производителя самых высокомощных одночастотных монолитных лазерных диодов в спектральной области от 740 до 1 083 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 и 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.
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 вынудил производителей лазеров сфокусировать свое внимание 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 1 300 и 1 550 нм, необходимые для телекоммуникационных технологий, изготавливались из фосфида индия (InP) – материала, который имеет более подходящий состав для изготовления DFB-структур.
В 2002 году некоторые из производителей шагнули вперед, создавая DFB-лазеры, успешно используемые 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 проявляли низкую надежность в работе, когда дело касалось применения в контрольно-измерительных приборах и работы на бόльшей оптической мощности.
В 2007 году компания Photodigm представила свою линейку DBR-лазеров, в основе производства которых лежит технология выращивания эпитаксиальных структур за один шаг. Эти лазеры стали прямыми конкурентами DFB-лазеров в спектральной области от 780 до 1 083 нм. Целью компании было создание продукта, который бы работал на более высоких мощностях и с более высокой надежностью, чем DFB-лазеры. Была также и другая цель – 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 тому, что имя компании стало широко известно в области создания лазерных источников для применения в атомных ловушках, метрологии, создании контрольно-измерительных приборов, которые требуют высокой мощности, стабильности оптического излучения и возможности фиксации излучения на одной конкретной частоте.
DBR-ЛАЗЕР ОТ КОМПАНИИ PHOTODIGM
Создание DBR-лазера от Photodigm начиналось с выращивания эпитаксиальных слоев на GaAs-подложке. Инженеры компании Photodigm создали эпитаксиальную структуру, используя оригинальное программное обеспечение, разработанное для внутреннего использования. Эпитаксиальная структура состоит из одной или нескольких высокопреломляющих квантовых ям, окруженных слоями с низким коэффициентом преломления, которые будут формировать волновод. Далее, следом за выращиванием эпитаксиального слоя, создается лазерная структура с особенностями поверхностного рельефа, образующими 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 эпитаксиальной 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 антиотражающим (AR) покрытием на другом конце. Выходная грань с AR-покрытием служит для вывода дифракционно-ограниченного излучения.
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 2 000 зубьев решетки на DBR-зеркале размером 500 мкм. Высокий контраст в коэффициентах преломления становится результатом резонансной отражательной способности Брэгговского зеркала, которая может превышать 90%.
DFB-ЛАЗЕР
DFB-лазер и DBR-лазер имеют много общего: это, прежде всего, узкая спектральная линия и возможность настройки частоты. В то время как DBR-лазеры имеют Брэгговский отражатель, расположенный 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 располагаться под слоем с высоким показателем преломления, эпитаксиально выращенным поверх решетки для формирования волновода (рис. 3). Разница в создании структур ведет к критическим отличиям между рабочими характеристиками лазеров.
Эпитаксиальный 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. Оно достигается с помощью антиотражающего покрытия на одном конце, которое выбирает одну из двух мод, на ней и работает лазер.
РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ DBR И DFB-ЛАЗЕРАМИ
Главное отличие между двумя лазерами – это расположение решетки в эпитаксиальной 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 эпитаксиальным 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 необходимо сделать еще один шаг дальнейшего выращивания эпитаксиальной 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. Эпитаксиальный 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 эпитаксиальной 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.
Типичные DBR-лазеры от Photodigm имеют более низкий пороговый ток и уровни номинальной мощности, в три 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 эпитаксиальной структуре, которые появляются в результате процесса вторичного роста.
Проблемы, возникающие из-за процесса вторичного роста эпитаксиальной структуры, привели к многочисленным попыткам создавать DFB-лазеры без этого шага. Были предложены DFB-лазеры, использующие боковые горизонтальные решетки вместо гребенчатых волноводов [2]. Они стали доступны на рынке, но до сегодняшнего времени, продолжают работают только на мощностях до 25 мВт и поэтому не способны конкурировать с DBR-лазерами в ближней ИК-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 эпитаксиальной структуры. Когда ток проходит через область усиления волновода, тот испытывает нагрев, приводящий к последующему сдвигу 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 эпитаксиальной 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. Это достигается, как правило, с помощью антиотражающего покрытия, наносимого 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 заметное различие в поведении выходных характеристик во время работы лазеров. 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. Видно, детерминированное поведение скачка моды. DFB-лазер перестраивается с похожей характеристикой. Если учесть отражательную способность решетки и сопутствующий сдвиг эпитаксиальной структуры, то область дисперсии DFB-лазера будет намного выше, чем у DBR-лазера. 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, то для DFB-лазеров он не является детерминированным. И при этом в диапазоне перестройки остается провал. В результате такого поведения, производители DFB-лазеров зачастую предлагают выбрать вариант лазера с заранее известным поведением скачка моды.
Высокие плотности тока в лазерных диодах, превышающие несколько А / см2, вызывают старение материала области усиления. Со старением материала происходит увеличение тока, а это ведет к сдвигу в красную область кривой усиления. Так как решетка DBR-лазера изготавливается в пассивной области гребенчатого волновода, спектр отражательной способности DBR остается фиксированным. Когда полоса усиления эпитаксиальной структуры сдвигается значительно в красную область, и мода, генерируемая лазером, не является больше модой с самым высоким усилением, происходят изменения. В результате 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 ток течет одновременно через решетку и квантовые ямы. Поэтому они стареют с одинаковой скоростью, при этом происходит сдвиг в красную длинноволновую область. Учитывая, что полоса отражательной способности решетки меньше, чем полоса усиления эпитаксиальной структуры, к определенному времени отражательная способность решетки падает до такой степени, что мода лазерной генерации перестает оставаться модой с наибольшим усилением. К сожалению, пока не найден механизм 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] (рис 5). Когда, например, резонансная линия рубидия попадает в этот провал в перестройке длины волны, лазер начинает работать неэффективно.
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 между собой, что влияет на их качество работы в различных научных приложениях.
За последнее время DBR-лазеры от Photodigm продемонстрировали отличные рабочие характеристики, особенно в приложениях, требующих использования одночастотного излучения высокой мощности в строго определенном спектральном диапазоне. Отличительная черта в структуре DBR-лазеров, созданных в компании Photodigm, – отдельная пассивная область DBR. Это определило успех и преимущество DBR-лазеров компании Photodigm над DFB-лазерами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wassermeier M., Hey R., Horicke M., Wiebicke E. – Semicond. Sci. Technol. 16: L40-L43.
2. Tiberio R., Chapman P. F. – Electronics Letters, 1994, v.30, v.1058–1060.
3. Klehr A., Wenzel H., Brox O., Erbert G., Nguyen T-P., Trankle G. High power DFB-lasers for D1 and D2 rubidium absorption spectroscopy and atomic clocks. – Proc. of SPIE, 2009, 7230: 72301I‑1-8. doi:10.1117/12.805858.
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 отдельную область DBR-решетки, которую наносят поверх гребенчатого волновода (рис. 1). С помощью такого дизайна компания Photodigm сумела занять позицию производителя самых высокомощных одночастотных монолитных лазерных диодов в спектральной области от 740 до 1 083 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 и 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.
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 вынудил производителей лазеров сфокусировать свое внимание 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 1 300 и 1 550 нм, необходимые для телекоммуникационных технологий, изготавливались из фосфида индия (InP) – материала, который имеет более подходящий состав для изготовления DFB-структур.
В 2002 году некоторые из производителей шагнули вперед, создавая DFB-лазеры, успешно используемые 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 проявляли низкую надежность в работе, когда дело касалось применения в контрольно-измерительных приборах и работы на бόльшей оптической мощности.
В 2007 году компания Photodigm представила свою линейку DBR-лазеров, в основе производства которых лежит технология выращивания эпитаксиальных структур за один шаг. Эти лазеры стали прямыми конкурентами DFB-лазеров в спектральной области от 780 до 1 083 нм. Целью компании было создание продукта, который бы работал на более высоких мощностях и с более высокой надежностью, чем DFB-лазеры. Была также и другая цель – 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 тому, что имя компании стало широко известно в области создания лазерных источников для применения в атомных ловушках, метрологии, создании контрольно-измерительных приборов, которые требуют высокой мощности, стабильности оптического излучения и возможности фиксации излучения на одной конкретной частоте.
DBR-ЛАЗЕР ОТ КОМПАНИИ PHOTODIGM
Создание DBR-лазера от Photodigm начиналось с выращивания эпитаксиальных слоев на GaAs-подложке. Инженеры компании Photodigm создали эпитаксиальную структуру, используя оригинальное программное обеспечение, разработанное для внутреннего использования. Эпитаксиальная структура состоит из одной или нескольких высокопреломляющих квантовых ям, окруженных слоями с низким коэффициентом преломления, которые будут формировать волновод. Далее, следом за выращиванием эпитаксиального слоя, создается лазерная структура с особенностями поверхностного рельефа, образующими 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 эпитаксиальной 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 антиотражающим (AR) покрытием на другом конце. Выходная грань с AR-покрытием служит для вывода дифракционно-ограниченного излучения.
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 2 000 зубьев решетки на DBR-зеркале размером 500 мкм. Высокий контраст в коэффициентах преломления становится результатом резонансной отражательной способности Брэгговского зеркала, которая может превышать 90%.
DFB-ЛАЗЕР
DFB-лазер и DBR-лазер имеют много общего: это, прежде всего, узкая спектральная линия и возможность настройки частоты. В то время как DBR-лазеры имеют Брэгговский отражатель, расположенный 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 располагаться под слоем с высоким показателем преломления, эпитаксиально выращенным поверх решетки для формирования волновода (рис. 3). Разница в создании структур ведет к критическим отличиям между рабочими характеристиками лазеров.
Эпитаксиальный 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. Оно достигается с помощью антиотражающего покрытия на одном конце, которое выбирает одну из двух мод, на ней и работает лазер.
РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ DBR И DFB-ЛАЗЕРАМИ
Главное отличие между двумя лазерами – это расположение решетки в эпитаксиальной 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 эпитаксиальным 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 необходимо сделать еще один шаг дальнейшего выращивания эпитаксиальной 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. Эпитаксиальный 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 эпитаксиальной 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.
Типичные DBR-лазеры от Photodigm имеют более низкий пороговый ток и уровни номинальной мощности, в три 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 эпитаксиальной структуре, которые появляются в результате процесса вторичного роста.
Проблемы, возникающие из-за процесса вторичного роста эпитаксиальной структуры, привели к многочисленным попыткам создавать DFB-лазеры без этого шага. Были предложены DFB-лазеры, использующие боковые горизонтальные решетки вместо гребенчатых волноводов [2]. Они стали доступны на рынке, но до сегодняшнего времени, продолжают работают только на мощностях до 25 мВт и поэтому не способны конкурировать с DBR-лазерами в ближней ИК-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 эпитаксиальной структуры. Когда ток проходит через область усиления волновода, тот испытывает нагрев, приводящий к последующему сдвигу 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 эпитаксиальной 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. Это достигается, как правило, с помощью антиотражающего покрытия, наносимого 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 заметное различие в поведении выходных характеристик во время работы лазеров. 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. Видно, детерминированное поведение скачка моды. DFB-лазер перестраивается с похожей характеристикой. Если учесть отражательную способность решетки и сопутствующий сдвиг эпитаксиальной структуры, то область дисперсии DFB-лазера будет намного выше, чем у DBR-лазера. 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, то для DFB-лазеров он не является детерминированным. И при этом в диапазоне перестройки остается провал. В результате такого поведения, производители DFB-лазеров зачастую предлагают выбрать вариант лазера с заранее известным поведением скачка моды.
Высокие плотности тока в лазерных диодах, превышающие несколько А / см2, вызывают старение материала области усиления. Со старением материала происходит увеличение тока, а это ведет к сдвигу в красную область кривой усиления. Так как решетка DBR-лазера изготавливается в пассивной области гребенчатого волновода, спектр отражательной способности DBR остается фиксированным. Когда полоса усиления эпитаксиальной структуры сдвигается значительно в красную область, и мода, генерируемая лазером, не является больше модой с самым высоким усилением, происходят изменения. В результате 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 ток течет одновременно через решетку и квантовые ямы. Поэтому они стареют с одинаковой скоростью, при этом происходит сдвиг в красную длинноволновую область. Учитывая, что полоса отражательной способности решетки меньше, чем полоса усиления эпитаксиальной структуры, к определенному времени отражательная способность решетки падает до такой степени, что мода лазерной генерации перестает оставаться модой с наибольшим усилением. К сожалению, пока не найден механизм 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] (рис 5). Когда, например, резонансная линия рубидия попадает в этот провал в перестройке длины волны, лазер начинает работать неэффективно.
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 между собой, что влияет на их качество работы в различных научных приложениях.
За последнее время DBR-лазеры от Photodigm продемонстрировали отличные рабочие характеристики, особенно в приложениях, требующих использования одночастотного излучения высокой мощности в строго определенном спектральном диапазоне. Отличительная черта в структуре DBR-лазеров, созданных в компании Photodigm, – отдельная пассивная область DBR. Это определило успех и преимущество DBR-лазеров компании Photodigm над DFB-лазерами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wassermeier M., Hey R., Horicke M., Wiebicke E. – Semicond. Sci. Technol. 16: L40-L43.
2. Tiberio R., Chapman P. F. – Electronics Letters, 1994, v.30, v.1058–1060.
3. Klehr A., Wenzel H., Brox O., Erbert G., Nguyen T-P., Trankle G. High power DFB-lasers for D1 and D2 rubidium absorption spectroscopy and atomic clocks. – Proc. of SPIE, 2009, 7230: 72301I‑1-8. doi:10.1117/12.805858.
Отзывы читателей