Разработка и исследование полупроводниковых оптоэлектронных приборов с улучшенными характеристиками на основе новых конструкций резонаторов и волноводов с наноструктурами (промежуточный, этап 2)

Продемонстрированы лазеры с квантовыми яма-точками (КЯТ) с волноводом из GaAs толщиной 0,45 мкм, стабильно работающие на основном состоянии (GS) без переключения на возбуждённые состояния (ES) вплоть до очень высоких плотностей тока (40 кА/см2). Продемонстрирована также двухуровневая генерация на основном и возбуждённом состоянии в лазерах с толщиной волновода 0,78 мкм, поддерживающих поперечную моду 2-го порядка на длине волны ES-перехода. Порогом двухуровневой генерации можно управлять с помощью модального усиления, меняя количество слоёв яма-точек в активной области и путем выбора толщины и состава эмиттеров поперечного волновода. Создана и исследована оптически связанная пара полосковых лазеров с разной длиной резонатора на квантовых точках (КТ) InAs/InGaAs/GaAs. В зависимости от токов через лазеры наблюдаются эффекты возбуждения и гашения генерации на ES в одном из лазеров за счёт его оптической накачки другим лазером. Изготовлены полудисковые микролазеры диаметром 200 мкм и изучены их характеристики в непрерывном и импульсном режимах. За счёт увеличения количества слоёв КТ InGaAs/GaAs высокой плотности в активной области с 5 до 7 было достигнуто значительное улучшение мощностных и тепловых характеристик. Непрерывная оптическая мощность при токе, соответствующем максимальной эффективности преобразования мощности (20%), достигала 80 мВт, а характеристическая температура порогового тока составляла 125 К. Направленная выходная мощность представленных полудисковых микролазеров сравнима с оптической мощностью (около 100 мВт) торцевых лазеров, имеющих длину 1 мм и более. Впервые продемонстрирована генерация при повышенных температурах (до 90°C) в микролазерах с анизотропным резонатором в форме лимасона (limaçon) и квадруполя (quadrupole). В активной области использовались плотные массивы квантовых точек. Добротность линии, измеренной на пороге генерации, оценивается как минимум в 105. Установлено, что минимальная ширина линии составляет ~200 МГц. В дальней зоне limaçon микролазеров преобладает однонаправленное излучение, в то время как диаграмма направленности квадрупольных микролазеров характеризуются двумя лепестками, направленными в противоположных направлениях. Пороговый ток увеличивается в два раза или менее для максимального коэффициента деформации круговой формы (θ = 0,45). Расходимость диаграммы направленности лазера limaçon составлял около 50° в поперечном направлении и около 8° в вертикальном направлении. Измеренные профили диаграммы направленности этих микролазеров отлично согласуются с результатами моделирования. Методом численного моделирования проанализирована зависимость коэффициента распространения пучка М2 от толщины симметричного модельного волновода GaAs/Al0.15Ga0.85As и показано, что при сужении вплоть до минимальных величин М2 увеличивается примерно до 1.5, что является приемлемым значением. Качество лазерного пучка существенно ухудшается при наличии дополнительных максимумов в профиле интенсивности лазерной моды. Получена экспериментальная зависимость тока прозрачности от энергии фотонов. Экспериментально исследовано неусиленное спонтанное излучение, собираемое перпендикулярно полупроводниковым слоям с помощью оптического волокна, пристыкованного к окну в n-контакте. На основании этих экспериментов были рассчитаны спектры модального усиления КЯТ при различных токах накачки. Впервые исследовано усиление излучения в полупроводниковом оптическом усилителе с квантовыми яма-точками в диапазоне длин волн 990–1075 нм. Для расчёта коэффициента усиления была использована оригинальная методика, не требующая данных о коэффициенте ввода и вывода излучения в волновод и опирающаяся на пересчет значений мощности усиленного излучения с учетом экспериментальных данных при условии прозрачности на заданной длине волны. Диапазоном токов накачки был ограниченным вследствие появления лазерной генерации. Для структуры с прямыми сколотыми гранями было получено максимальное значение усиления 22 дБ на длине волны 1040 нм и ширина полосы усиления 65 нм по уровню 10 дБ при токе 57 мА. Созданы инновационные датчики на основе микроструктур ZnO, инкапсулированных в гибкую полимерную матрицу PDMS (polydimethylsiloxane). Сенсоры демонстрируют возможность одновременного измерения давления и температуры в диапазоне 0.2 – 1.8 Мпа и 25С – 100С, соответственно.