Разработка и исследование полупроводниковых оптоэлектронных приборов с улучшенными характеристиками на основе новых конструкций резонаторов и волноводов с наноструктурами

Исследованы суперлюминесцентные диоды (СЛД) с активной областью на основе 5 и 7 слоёв квантовых яма-точек InGaAs/GaAs. Для реализации широкого спектра излучения без значительных провалов максимумы излучения отдельных слоёв КЯТ сдвинуты друг относительно друга на 15-35 нм. Центральная длина волны суперлюминесцентных диодов составила около 1 мкм, а ширина линии излучения на половине высоты - 92 и 103 нм, для СЛД с 5 и 7 слоями КЯТ, соответственно. Исследованы подходы к разработке оптических мод в плоских волноводах. Представлена концепция волноводов на основе связанных резонаторов (Coupled Large Optical Cavity, CLOC), основанная на резонансной оптической связи между волноводами, позволяющая выбирать моды высокого порядка. Рассматривается и обсуждается современное состояние работы CLOC. Результаты как численного моделирования, так и эксперимента показывают, что подход CLOC можно рассматривать как простое и экономичное решение для улучшения характеристик диодных лазеров. Исследованы полукольцевые лазеры на основе КЯТ диаметром 100-200 мкм, изготовленные путём раскалывания исходных полных колец на половинки. Проведено сравнение характеристик полукольцевых и полудисковых лазеров, изготовленных из одной и той же пластины. Продемонстрировано направленное излучение света и одномодовая генерация полукольцевых лазеров. Показано, что полукольца имеют лучшую эффективность преобразования электрической энергии в оптическую по сравнению с полудисками. Исследованы ватт-амперные характеристики полудисковых микролазеров c активной областью на основе InGaAs/GaAs КЯТ, излучающих на длине волны 1090 нм. Приборы были изготовлены путем раскалывания дисковых резонаторов диаметром 200 мкм с шириной кольцевого контакта 10 мкм. В режиме непрерывной накачки максимальная выходная мощность при 20ºС составила 110 мВт, а лазерная генерация наблюдалась до 113°С. Методом поляриметрии исследовано влияние волновода и активной области лазерных гетероструктур на основе КЯТ на поляризацию проходящего излучения. Установлено, что волноводные структуры с КЯТ практически не оказывают влияния на проходящее излучение с поляризацией, параллельной или перпендикулярной слоям активной области. Однако, при вводе излучения с промежуточным углом линейной поляризации, выходящее излучение представляет собой смесь эллиптически поляризованного и неполяризованного света. Обнаружено, что деполяризация излучения максимальна при угле поляризации входящего излучения 45°. Предложена модель, позволяющая в аналитическом виде проанализировать быстродействие p-i-n фотодиода волноводной конструкции со светопоглощающей областью, представляющей собой многослойный массив квантовых точек, разделенных нелегированными прослойками. Показано, что существует оптимальное число рядов квантовых точек, а также оптимальная толщина спейсеров, позволяющие получить наибольшую рабочую частоту. Показана возможность достижения частотного диапазона (по уровню -3дБ) свыше 20 ГГц для волноводных фотодиодов на основе квантовых ям-точек InGaAs/GaAs. Предложена идея кодирования данных, основанная на переключении генерации с увеличением тока инжекции из основного состояния (GS) в возбужденное состояние (ES) в лазерах на квантовых точках (КТ). Группы из двух битов присваиваются спектрам генерации, которые содержат либо одну, либо обе линии генерации GS и/или ES в зависимости от тока инжекции. Предлагаемая схема кодирования потенциально может сочетать некоторые преимущества многоуровневого кодирования и мультиплексирования с разделением длин волн. Экспериментально и численно исследовано влияние геометрии нанопроволок на их волноводные свойства. Зондирование волноводов лазером с широким спектром излучения продемонстрировало фильтрующие свойства нанопроволок благодаря их резонансному действию. Нанопроволоки обладают идеальной эластичностью, что позволяет изготавливать изогнутые волноводы. Показано, что для диаметров нанопроволоки, превышающих предельное значение, изгиб практически не уменьшает ограничение поля даже при малых радиусах кривизны. Изготовлен оптический X-ответвитель и показана применимость подхода для создания наноразмерных волноводов с заранее заданной геометрией и способностью к спектральному разделению сигнала.