Анализα-фактора вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм на основе квантовых ям InGaAs/InAlGaAs

Ссылка для цитирования:

Ковач Я.Н., Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин А.А., Малеев Н.А., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Колодезный Е.С., Воропаев К.О., Устинов В.М., Егоров А.Ю. Анализ α-фактора вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм на основе квантовых ям InGaAs/InAlGaAs // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 24–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-24-34

Kovach Ya.N., Blokhin S.A., Bobrov M.A., Blokhin A.A., Maleev N.A., Babichev A.V., Karachinsky L.Ya., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Kolodeznyi E.S., Voropaev K.O., Ustinov V.M., Egorov A.Yu. Analysis of α-factor of 1.55 μm-range vertical-cavity surface-emitting lasers based on InGaAs/InAlGaAs quantum wells [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 24–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-24-34

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры, изготовленные с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии. Цель работы. Определение значений фактора уширения (α-фактора) спектральной линии одномодовых вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм на основе напряжённых квантовых ям InGaAs/InGaAlAs, изготовленных с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии. Метод. Оценка α-фактора по результатам прямых измерений ширины спектральной линии сканирующим интерферометром Фабри–Перо и по результатам малосигнального частотного анализа и определению сдвига резонансной длины волны в спектрах спонтанного излучения при изменении концентрации носителей заряда. Основные результаты. Показано, что увеличение фактора инверсной заселённости или времени жизни носителей заряда ведёт к снижению величины α-фактора для вертикально-излучающих лазеров, изготовленных с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии. Для исследуемых лазеров диапазон значений α-фактора лежит в диапазоне 3–4,5 в зависимости от времени жизни фотонов в резонаторе. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют связать время жизни фотонов в резонаторе с α-фактором вертикальноизлучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм, что важно при проектировании как газовых сенсоров, так и высокоскоростных оптических приёмопередатчиков на их основе.

Ключевые слова:

вертикально-излучающий лазер, технология спекания пластин, ширина спектральной линии излучения, α-фактор

Благодарность:

исследования малосигнального частотного анализа выполнены при поддержке Минобрнауки России, проект тематики научных исследований № 2019-1442. Электронно-микроскопические исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург)

Коды OCIS: 140.5960, 250.5960, 140.7260, 250.7260, 160.6000, 060.4080, 060.4510

Список источников:

1. Padullaparthi B.D., Tatum J.A., Iga K. VCSEL industry: communication and sensing. New Jersey: Wiley-IEEE Press, 2021. 352 p.
2. Babichev A., Blokhin S., Kolodeznyi E. et al. Longwavelength VCSELs: Status and prospects // Photonics. 2023. V. 10. № 3. P. 268. https://doi.org/10.3390/ photonics10030268
3. Michalzik R. VCSELs: Fundamentals, technology and applications of vertical-cavity surface-emitting lasers // Springer Series in Optical Sciences. Springer Verlag. 2013. https://doi.org/10.1007/978-3-642-24986-0_2
4. Park M.-R., Kwon O., Han W. et al. All-epitaxial InAlGaAs-InP VCSELs in the 1.3–1.6-μm wavelength range for CWDM band applications // IEEE Photonics Technol. Lett. 2006. V. 18. № 16. P. 1717–1719. https://doi. org/10.1109/LPT.2006.879940
5. Ohiso Y., Sato T., Shindo T. et al. 1.3-μm buried-heterostructure VCSELs with GaAs/AlGaAs metamorphic DBRs grown by MOCVD // Electron. Lett. 2020. V. 56. № 2. P. 95–97. https://doi.org/10.1049/el.2019.2958
6. Hofmann W. High-speed buried tunnel junction vertical-cavity surface-emitting lasers // IEEE Photonics J. 2010. V. 2. № 5. P. 802–815. https://doi.org/10.1109/ JPHOT.2010.2055554
7. Sirbu A., Suruceanu G., Iakovlev V. et al. Reliability of 1310 nm wafer fused VCSELs // IEEE Photonics Technol. Lett. 2013. V. 25. № 16. P. 1555–1558. https://doi. org/10.1109/LPT.2013.2271041
8. Halbritter H., Shau R., Riemenschneider F. et al. Chirp and linewidth enhancement factor of 1.55 μm VCSEL with buried tunnel junction // Electron. Lett. 2004. V. 40. № 20. P. 1266. https://doi.org/10.1049/el:20046457
9. Shau R., Halbritter H., Riemenschneider F. et al. Linewidth of InP-based 1.55 μm VCSELs with buried tunnel junction // Electron. Lett. 2003. V. 39. № 24. P. 1728. https://doi.org/10.1049/el:20031143
10. Khan N.A., Schires K., Hurtado A. et al. Measurement of temperature-dependent relaxation oscillation frequency and linewidth enhancement factor of a 1550 nm VCSEL // IEEE J. Quantum Electron. 2013. V. 49. № 11. P. 990–996. https://doi.org/10.1109/JQE.2013. 2282759
11. Ковач Я.Н., Блохин С.А., Бобров М.А. и др. Ширина линии излучения одномодовых вертикально излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм, реализованных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии и технологии спекания пластин // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 11. С. 1486–1489. https://doi.org/10.61011/OS.2023.11.57008.5135-23
Kovach Y., Blokhin S., Bobrov M. et al. Linewidth study of MBE-grown wafer-fused single-mode 1.55 μm VCSELs // Optics and Spectroscopy. 2023. V. 131. № 11. P. 1486–1489. https://doi.org/10.61011/EOS. 2023.11.58028.5135-23.12
12. Блохин С.А., Ковач Я.Н., Бобров М.А. и др. Ширина линии излучения и α-фактор вертикально излучающих лазеров на основе квантовых ям InGaAs/ InGaAlAs спектрального диапазона 1,55 мкм // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 8. С. 1095–1100. https://doi.org/10.61011/OS.2023.08.56301.5369-23
Blokhin S., Kovach Y., Bobrov M. et al. Emission linewidth and α-factor of 1.55 μm-range vertical-cavity surface-emitting lasers based on InGaAs/InGaAlAs quantum wells // Optics and Spectroscopy. 2023. V. 131. № 8. P. 1095–1100. https://doi.org/10.61011/ EOS.2023.08.56301.5369-23
13. Блохин С.А., Неведомский В.Н., Бобров М.А. и др. Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1,55 мкм, изготовленные по технологии спекания гетероструктур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии из твердотельных источников // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 10. С. 1088–1096. https://doi.org/ 10.21883/FTP.2020.10.49947.9463
Blokhin S., Nevedomsky N., Bobrov M. 1.55-μm-range vertical-cavity surface-emitting lasers, manufactured by wafer fusion of heterostructures grown by solidsource molecular-beam epitaxy // Physics of semiconductor devices. 2020. V. 54. № 10. P. 1088–1096. https://doi.org/10.1134/S1063782620100048
14. Babichev A., Blokhin S., Gladyshev A. et al. Impact of device topology on the performance of high-speed 1550 nm wafer-fused VCSELs // Photonics. 2023. V. 10. № 6. P. 660. https://doi.org/10.3390/photonics10060660
15. Westbergh P., Gustavsson J., Kögel B. et al. Impact of photon lifetime on high-speed VCSEL performance // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2011. V. 17. № 6. P. 1603–1613. https://doi.org/10.1109/JSTQE. 2011.2114642
16. Блохин С.А., Малеев Н.А., Бобров М.А. и др. Высокоскоростные полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры для оптических систем передачи данных (Обзор) // Письма в журнал технической физики. 2018. Т. 44. № 1. С. 1–16. https://doi.org/ 10.21883/PJTF.2018.01.45428.17057
Blokhin S., Maleev N., Bobrov M. High-speed semiconductor vertical-cavity surface-emitting lasers for optical data-transmission systems (Review) // Technical Physics Letters. 2018. V. 44. № 1. P. 1–16. https://doi. org/10.1134/S1063785018010054
17. Larisch G., Tian S., Bimberg D. Optimization of VCSEL photon lifetime for minimum energy consumption at varying bit rates // Opt. Express. 2020. V. 28. № 13. P. 18931. https://doi.org/10.1364/OE.391781
18. Henry C. Theory of the linewidth of semiconductor lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1982. V. 18. № 2. P. 259–264. https://doi.org/10.1109/JQE.1982.1071522
19. Halbritter H., Riemenschneider F., Jacquet J. et al. Chirp and linewidth enhancement factor of tunable, optically-pumped long wavelength VCSEL // Electron. Lett. 2004. V. 40. № 4. P. 242. https://doi.org/10.1049/ el:20040173
20. Diode lasers and photonic integrated circuits / Ed. Coldren L.A., Corzine S.W. New York: Wiley, 1995. P. 714.
21. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин А.А. и др. Анализ внутренних оптических потерь вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1,55 мкм, сформированного методом спекания пластин // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127. № 1. С. 145–149. https://doi.org/10.21883/OS.2019.07.47941.296-18
Blokhin S., Bobrov M., Blokhin А. et al. Analysis of the internal optical losses of the vertical-cavity surfaceemitting laser of the spectral range of 1.55 μm formed by a plate sintering technique // Optics and Spectroscopy. 2019. V. 127. № 1. P. 145–149. https://doi. org/10.1134/S0030400X1907004X
22. Blokhin S., Babichev A., Gladyshev A. et al. High power single mode 1300-nm superlattice based VCSEL: Impact of the buried tunnel junction diameter on performance // IEEE J. Quantum Electron. 2022. V. 58. № 2. P. 1–15. https://doi.org/10.1109/JQE.2022.3141418
23. Stubkjaer K., Suematsu Y., Asada M. et al. Measurements of refractive-index variation with free carrier density and temperature for 1.6 μm GaInAsP/InP lasers // Electron. Lett. 1980. V. 16. № 23. P. 895. https:// doi.org/10.1049/el:19800638
24. Kishino K., Aoki S., Suematsu Y. Wavelength variation of 1.6 μm wavelength buried heterostructure GaInAsP/InP lasers due to direct modulation // IEEE J. Quantum Electron. 1982. V. 18. № 3. P. 343–351. https://doi.org/10.1109/JQE.1982.1071553
25. Блохин С.А., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я. и др. Оптический передатчик спектрального диапазона 1,55 мкм на основе вертикально-излучающего лазера // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. C. 61–69. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-61-69
Blokhin, S.A., Babichev, A.V., Karachinsky, L.Y. 1.55-μm range optical transmitter based on a vertical-cavity surface-emitting laser // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 11. P. 681–686. https://doi.org/ 10.1364/JOT.89.000681
26. Колодезный Е.С., Рочас С.С., Курочкин А.С. и др. Оптическое усиление гетероструктур с множественными квантовыми ямами в диапазоне длин волн 1550 нм и предельные частоты модуляции вертикально-излучающих лазеров на их основе // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 2. С. 229–233. https://doi.org/10.21883/OS.2018.08.46365.95-18
Kolodeznyi E.S., Rochas S.S., Kurochkin A.S. Optical gain of 1550-nm range multiple-quantum-well heterostructures and limiting modulation frequencies of vertical-cavity surface-emitting lasers based on them // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125. № 2. P. 229– 233. https://doi.org/10.1134/S0030400X18080143