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

Формула изобретения

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 I( v) на частоте биений продольных мод внешнего резонатора v=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 I( v) в раз и определяют время жизни электронов из соотношения

где L*_out - длина перестраиваемого внешнего резонатора, соответствующая уменьшению I 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.

Описание изобретения к патенту

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 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 P(f) и определении времени жизни по уменьшению Р 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 , возникают релаксационные колебания, искажающие динамический отклик лазера и соответственно трудность измерения . 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 I( v) на частоте биений продольных мод внешнего резонатора v=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 I( v) в 2 раз и определяют время жизни электронов из соотношения

где L*_out - длина перестраиваемого внешнего резонатора, соответствующая уменьшению I 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 >> 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 v (в ГГц) от длины резонатора L_out (в см), определяемая из соотношения v=c/2(L_out+nL_in ), на фиг.4 - экспериментальная зависимость нормированной переменной составляющей тока инжекции GaAlAs полоскового лазера ( =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, _sp - среднее время жизни фотона в резонаторе, _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 v=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 v равна 1 ГГц, а при 5 см v=3 ГГц, при L_o=3 см v=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 I(Av) на частоте биений лазерных мод v=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 v до уменьшения переменной составляющей тока инжекции I( v) в 2 раз и определяют время жизни электронов из соотношения

=2(L*_out+nL_in )/c.

Максимальная длина внешнего резонатора выбирается из соотношения L_out много больше 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.