Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров
Рассмотрены физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров на модах шепчущей галереи. Предложен новый метод измерения однопроходного оптического усиления. Рассмотрена теория цилиндрических волноводов. Экспериментально исследованы спектральные характеристики лазеров на модах шепчуще...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2007
|
| Назва видання: | Физика низких температур |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127737 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров / Н.С. Аверкиев, В.В. Шерстнев, A.М. Монахов, Е.А. Гребенщикова, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, А. Krier, D.A. Wright // Физика низких температур. — 2007. — Т. 33, № 2-3. — С. 378-387. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-127737 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1277372025-06-03T16:29:06Z Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров The physical operation principle of semiconductor disk lasers Аверкиев, Н.С. Шерстнев, В.В. Монахов, А.М. Гребенщикова, Е.А. Кислякова, А.Ю. Яковлев, Ю.П. Krier, A. Wright, D.A. Новые электронные материалы и системы Рассмотрены физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров на модах шепчущей галереи. Предложен новый метод измерения однопроходного оптического усиления. Рассмотрена теория цилиндрических волноводов. Экспериментально исследованы спектральные характеристики лазеров на модах шепчущей галереи в интервале температур 4–300 К. Показано, что такие лазеры весьма перспективны как потенциальные источники лазерного излучения, работающие при комнатной температуре. Розглянуто фізичні принципи роботи напівпровідникових дискових лазерів на модах галереї, що шепотить. Запропоновано новий метод виміру однопрохідного оптичного посилення. Розглянуто теорію циліндричних хвилеводів. Експериментально досліджено спектральні характеристики лазерів на модах галереї, що шепотить, в інтервалі температур 4–300 К. Показано, що такі лазери досить перспективні як потенційні джерела лазерного випромінювання, що працюють при кімнатній температурі. The physical operation principle of whispering gallery mode disk lasers (WGM lasers) is considered. A new method of measuring single pass gain is proposed. The theory of cylindrical waveguides is considered. The spectral characteristics of WGM lasers are measured at temperatures ranged from 4 to 300 K. It is shown that WGM lasers are very promising as laser sources operating at room temperatures. Работа выполнена при частичной поддержке научных программ РАН. 2007 Article Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров / Н.С. Аверкиев, В.В. Шерстнев, A.М. Монахов, Е.А. Гребенщикова, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, А. Krier, D.A. Wright // Физика низких температур. — 2007. — Т. 33, № 2-3. — С. 378-387. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 42.55.Px, 42.60.Da, 42.79.Gn https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127737 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Новые электронные материалы и системы Новые электронные материалы и системы |
| spellingShingle |
Новые электронные материалы и системы Новые электронные материалы и системы Аверкиев, Н.С. Шерстнев, В.В. Монахов, А.М. Гребенщикова, Е.А. Кислякова, А.Ю. Яковлев, Ю.П. Krier, A. Wright, D.A. Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров Физика низких температур |
| description |
Рассмотрены физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров на модах
шепчущей галереи. Предложен новый метод измерения однопроходного оптического усиления.
Рассмотрена теория цилиндрических волноводов. Экспериментально исследованы спектральные
характеристики лазеров на модах шепчущей галереи в интервале температур 4–300 К. Показано,
что такие лазеры весьма перспективны как потенциальные источники лазерного излучения, работающие при комнатной температуре. |
| format |
Article |
| author |
Аверкиев, Н.С. Шерстнев, В.В. Монахов, А.М. Гребенщикова, Е.А. Кислякова, А.Ю. Яковлев, Ю.П. Krier, A. Wright, D.A. |
| author_facet |
Аверкиев, Н.С. Шерстнев, В.В. Монахов, А.М. Гребенщикова, Е.А. Кислякова, А.Ю. Яковлев, Ю.П. Krier, A. Wright, D.A. |
| author_sort |
Аверкиев, Н.С. |
| title |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| title_short |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| title_full |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| title_fullStr |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| title_full_unstemmed |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| title_sort |
физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Новые электронные материалы и системы |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127737 |
| citation_txt |
Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров / Н.С. Аверкиев, В.В. Шерстнев, A.М. Монахов, Е.А. Гребенщикова, А.Ю. Кислякова, Ю.П. Яковлев, А. Krier, D.A. Wright // Физика низких температур. — 2007. — Т. 33, № 2-3. — С. 378-387. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Физика низких температур |
| work_keys_str_mv |
AT averkievns fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT šerstnevvv fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT monahovam fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT grebenŝikovaea fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT kislâkovaaû fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT âkovlevûp fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT kriera fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT wrightda fizičeskieprincipyrabotypoluprovodnikovyhdiskovyhlazerov AT averkievns thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT šerstnevvv thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT monahovam thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT grebenŝikovaea thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT kislâkovaaû thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT âkovlevûp thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT kriera thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers AT wrightda thephysicaloperationprincipleofsemiconductordisklasers |
| first_indexed |
2025-11-27T12:54:32Z |
| last_indexed |
2025-11-27T12:54:32Z |
| _version_ |
1849948194217132032 |
| fulltext |
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3, ñ. 378–387
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ
äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Í.Ñ. Àâåðêèåâ, Â.Â. Øåðñòíåâ, A.Ì. Ìîíàõîâ, Å.À. Ãðåáåíùèêîâà,
À.Þ. Êèñëÿêîâà, Þ.Ï. ßêîâëåâ
Ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. À.Ô. Èîôôå ÐÀÍ
óë. Ïîëèòåõíè÷åñêàÿ, 26, ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, 194021, Ðîññèÿ
E-mail: v.sherstnev@mail.ioffe.ru
À. Krier and D.A. Wright
Department of Physics, Lancaster University, Lancaster, LA1 4YB, UK
Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 2 àâãóñòà 2006 ã.
Ðàññìîòðåíû ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ íà ìîäàõ
øåï÷óùåé ãàëåðåè. Ïðåäëîæåí íîâûé ìåòîä èçìåðåíèÿ îäíîïðîõîäíîãî îïòè÷åñêîãî óñèëåíèÿ.
Ðàññìîòðåíà òåîðèÿ öèëèíäðè÷åñêèõ âîëíîâîäîâ. Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû ñïåêòðàëüíûå
õàðàêòåðèñòèêè ëàçåðîâ íà ìîäàõ øåï÷óùåé ãàëåðåè â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 4–300 Ê. Ïîêàçàíî,
÷òî òàêèå ëàçåðû âåñüìà ïåðñïåêòèâíû êàê ïîòåíöèàëüíûå èñòî÷íèêè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ðà-
áîòàþùèå ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Ðîçãëÿíóòî ô³çè÷í³ ïðèíöèïè ðîáîòè íàï³âïðîâ³äíèêîâèõ äèñêîâèõ ëàçåð³â íà ìîäàõ
ãàëåðå¿, ùî øåïîòèòü. Çàïðîïîíîâàíî íîâèé ìåòîä âèì³ðó îäíîïðîõ³äíîãî îïòè÷íîãî ïîñèëåí-
íÿ. Ðîçãëÿíóòî òåîð³þ öèë³íäðè÷íèõ õâèëåâîä³â. Åêñïåðèìåíòàëüíî äîñë³äæåíî ñïåêòðàëüí³
õàðàêòåðèñòèêè ëàçåð³â íà ìîäàõ ãàëåðå¿, ùî øåïîòèòü, â ³íòåðâàë³ òåìïåðàòóð 4–300 Ê. Ïîêà-
çàíî, ùî òàê³ ëàçåðè äîñèòü ïåðñïåêòèâí³ ÿê ïîòåíö³éí³ äæåðåëà ëàçåðíîãî âèïðîì³íþâàííÿ,
ùî ïðàöþþòü ïðè ê³ìíàòí³é òåìïåðàòóð³.
PACS: 42.55.Px Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû; ëàçåðíûå äèîäû;
42.60.Da Ðåçîíàòîðû, ïîëîñòè, óñèëèòåëè, óñòðîéñòâà è êîëüöà;
42.79.Gn Îïòè÷åñêèå âîëíîâîäû è ýëåìåíòû ñâÿçè.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ëàçåð, êîãåðåíòíîå èçëó÷åíèå, ìîäû øåï÷óùåé ãàëåðåè.
1. Ââåäåíèå
 ïîñëåäíèå ãîäû âñå áîëåå ðàñòåò èíòåðåñ ê
èññëåäîâàíèÿì îáùèõ ìåõàíèçìîâ è ïðèíöèïîâ äåé-
ñòâèÿ, à òàêæå ñïîñîáîâ îïòèìèçàöèè îïòè÷åñêèõ
õàðàêòåðèñòèê, êîíñòðóêöèé è òåõíîëîãèé èçãîòîâ-
ëåíèÿ ñóùåñòâóþùèõ òèïîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëà-
çåðîâ ñðåäíåãî èíôðàêðàñíîãî (ÈÊ) äèàïàçîíà.
Ýòîò èíòåðåñ îáóñëîâëåí íå òîëüêî íàó÷íîé, íî
è ïðàêòè÷åñêîé çíà÷èìîñòüþ ðàçðàáîòêè ëàçåðîâ
ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà (2–8 ìêì), ïîñêîëüêó â åãî
ïðåäåëàõ íàõîäÿòñÿ ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ìíîæåñòâà
âðåäíûõ æèäêîñòåé è ãàçîâ. Îäíàêî èññëåäîâàíèÿ,
ðàçðàáîòêà è âíåäðåíèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáî-
ðîâ, èçëó÷àþùèõ â äàííîì äèàïàçîíå, òðåáóþò ïðå-
îäîëåíèÿ òðóäíîñòåé, îáóñëîâëåííûõ íåáîëüøîé
âåëè÷èíîé êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ, ñâÿçàííîãî ñ
âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåêîì-
áèíàöèè â óçêîçîííûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî âàðè-
àíòîâ êîíñòðóêöèé ëàçåðîâ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà.
Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ êàñêàäíûå
ëàçåðû (QCL), óâåëè÷èâàþùèå îïòè÷åñêîå óñèëå-
íèå â àêòèâíîé îáëàñòè è VCSEL-êîíñòðóêöèè,
ïîçâîëÿþùèå óëó÷øèòü äîáðîòíîñòü ðåçîíàòîðà.
Îñíîâíîé íåäîñòàòîê ýòèõ ëàçåðîâ — ñëîæíîñòü èç-
ãîòîâëåíèÿ òàêèõ ïðèáîðîâ.
 ðàáîòå [1] ïðåäëîæåíà è ðåàëèçîâàíà íîâàÿ
êîíñòðóêöèÿ ëàçåðà äëÿ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà.
© Í.Ñ. Àâåðêèåâ, Â.Â. Øåðñòíåâ, A.Ì. Ìîíàõîâ, Å.À. Ãðåáåíùèêîâà, À.Þ. Êèñëÿêîâà, Þ.Ï. ßêîâëåâ, À. Krier and D.A. Wright,
2007
Åå ïðèíöèïèàëüíàÿ îñîáåííîñòü — èñïîëüçîâàíèå
êîëüöåâîãî ðåçîíàòîðà â âèäå äèñêà, ðàáî÷åé ìîäîé
êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ «ìîäà øåï÷óùåé
ãàëåðåè» (â äàëüíåéøåì WGM — whispering gallery
mode).
Òåîðåòè÷åñêèå è ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâà-
íèÿ WGM-ëàçåðîâ [2–4] ïîêàçàëè, ÷òî ïðèáîðû íà
îñíîâå êîëüöåâûõ ðåçîíàòîðîâ — ýòî óñòðîéñòâà ñ
ñóùåñòâåííî áîëåå âûñîêîé äîáðîòíîñòüþ ïî ñðàâ-
íåíèþ ñ îáû÷íûìè ëàçåðàìè ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçî-
íà.  ðåçóëüòàòå áûë ïîëó÷åí ïîëóïðîâîäíèêîâûé
ïðèáîð, ðàáîòàþùèé ïðè ìàëîì óñèëåíèè â àêòèâ-
íîé îáëàñòè [1]. Äëÿ òàêèõ ïðèáîðîâ òðåáîâàíèÿ ê
êà÷åñòâó ïîâåðõíîñòè è òåõíîëîãèè ñóùåñòâåííî
ñíèæàþòñÿ. Äëèíà âîëíû â ðàññìàòðèâàåìîì äèàïà-
çîíå ïîðÿäêà 3 ìêì è ïîðÿäêà 1 ìêì âíóòðè ðåçîíà-
òîðà, ïîýòîìó îáðàáîòêà ïîâåðõíîñòè ìîæåò ïðîèç-
âîäèòüñÿ ìåòîäàìè ñòàíäàðòíîé ëèòîãðàôèè.
 ñâÿçè ñ ýòèì öåëüþ íàñòîÿùåé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ
äåìîíñòðàöèÿ îñíîâíûõ ñâîéñòâ WGM-ëàçåðîâ. Â
ïåðâóþ î÷åðåäü ðàññìîòðèì ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíî-
ñòè òîêà â òðåõìåðíîé ñòðóêòóðå, êîòîðîå íåïîñðåä-
ñòâåííî ñâÿçàíî ñ âîçìîæíîñòüþ ãåíåðàöèè ñâåòà èñ-
ñëåäóåìûì îáðàçöîì.  ýêñïåðèìåíòàëüíîé ÷àñòè
ðàáîòû ïðîàíàëèçèðîâàíû ïîëó÷åííûå ñïåêòðû ëà-
çåðíûõ äèîäîâ, ðàáîòàþùèõ íà äëèíå âîëíû ïîðÿä-
êà 2,5–4 ìêì, õàðàêòåðèçóþùèå ýëåêòðè÷åñêèå è
òåìïåðàòóðíûå ñâîéñòâà WGM-ëàçåðîâ.
2. Îäíîïðîõîäíîå óñèëåíèå â àêòèâíîé îáëàñòè
InAs ëàçåðîâ
Äëÿ ïîíèìàíèÿ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â
WGM-ëàçåðå, ñóùåñòâåííà îöåíêà îäíîïðîõîäíîãî
îïòè÷åñêîãî óñèëåíèÿ. Äëÿ ýòîé öåëè íàìè áûëà
ðàçðàáîòàíà ìåòîäèêà îöåíêè òàêîãî óñèëåíèÿ. Ðàñ-
ñìàòðèâàåìûé ïðèáîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðóãëóþ
ìåçó ñ êîëüöåâûì êîíòàêòîì.
Âàæíàÿ îñîáåííîñòü êðóãëîé ìåçû ñ êîëüöåâûì
êîíòàêòîì — íåðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíî-
ñòè òîêà âíóòðè ñòðóêòóðû. Ïðåæäå âñåãî, âûÿñíèì,
êàêîâî ýòî ðàñïðåäåëåíèå â îáðàçöå çàäàííîé ôîð-
ìû. Ñòðóêòóðà ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíûì óñòðîéñòâîì ñ
àêòèâíîé îáëàñòüþ â âèäå äâîéíîãî ãåòåðîïåðåõîäà
ñ äâîéíûìè çàðÿæåííûìè ñëîÿìè íà ãðàíèöàõ. Îä-
íàêî â îáëàñòè ðàáî÷èõ íàïðÿæåíèé âîëüò-àìïåðíàÿ
õàðàêòåðèñòèêà ïðèáëèçèòåëüíî ëèíåéíà è ðàñïðå-
äåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà ìîæíî ðàññ÷èòàòü, ïðåäïî-
ëàãàÿ, ÷òî â ðåàëüíûõ ïðèáîðàõ ñóùåñòâóåò äîïîë-
íèòåëüíîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà àêòèâíîé
îáëàñòè. Òàêèì îáðàçîì, íåîáõîäèìî ðåøèòü ñòàí-
äàðòíîå óðàâíåíèå
� � �( )� � 0 (1)
ñ ãðàíè÷íûì óñëîâèåì
j dS In
d�
�� � . (2)
Çäåñü I — òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç ñòðóêòóðó. Èí-
òåãðèðîâàíèå âåäåòñÿ ïî ëþáîé ïîâåðõíîñòè, ïàðàë-
ëåëüíîé êîíòàêòàì. Òàêèì îáðàçîì, â ëèíåéíîì
ïðèáëèæåíèè, õîòÿ ìû è íå â ñîñòîÿíèè âû÷èñëèòü
ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ â àêòèâíîé îáëàñòè, òåêóùàÿ
ïëîòíîñòü òîêà ìîæåò áûòü âû÷èñëåíà ñ äîñòàòî÷-
íîé òî÷íîñòüþ. Âû÷èñëåííîå ðàñïðåäåëåíèå z-êîì-
ïîíåíòû ïëîòíîñòè òîêà (ïåðïåíäèêóëÿðíîé àêòèâ-
íîé îáëàñòè) ïðèâåäåíî íà ðèñ. 1.
Îñîáåííîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ òîêà ñîñòîèò â òîì,
÷òî ïëîòíîñòü òîêà ìàêñèìàëüíà âáëèçè êðàÿ ìåçû.
Íàìè áûëî èçãîòîâëåíî äâà òèïà ïðèáîðîâ äèà-
ìåòðîì 1000 ìêì, ïðèáîðû ïåðâîãî òèïà èìåëè ñèì-
ìåòðè÷íûé òî÷å÷íûé êîíòàêò â öåíòðå, â ïðèáîðàõ
âòîðîãî òèïà àíàëîãè÷íûé êîíòàêò ñìåùåí áëèæå ê
êðàþ ìåçû, ñîçäàâàÿ òåì ñàìûì àñèììåòðèþ. Åäèí-
ñòâåííîå îòëè÷èå îáðàçöîâ — ðàçëè÷íîå ïîëîæåíèå
îìè÷åñêîãî êîíòàêòà íà ïîâåðõíîñòè ñòðóêòóðû.
Ñïåêòðû ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèè, èçìåðåííûå äëÿ
ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèé òîêîâ ïðè êîìíàòíîé òåìïåðà-
òóðå, ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2. Ïîâåäåíèå ñïåêòðîâ ýòèõ
äâóõ òèïîâ ïðèáîðîâ ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àåòñÿ ïðè
óâåëè÷åíèè ïîäàâàåìîãî íà ñòðóêòóðó òîêà. Äëÿ
äèîäîâ ñ êîíòàêòîì, ðàñïîëîæåííûì â öåíòðå (ðèñ.
2,à), ïîëó÷åíû äîñòàòî÷íî ñõîæèå ñïåêòðû áåç êà-
êîãî-ëèáî ñäâèãà ïî äëèíàì âîëí ïðè óâåëè÷åíèè
òîêà. Ñïåêòðû ïðèáîðîâ ñ àñèììåòðè÷íûìè êîíòàê-
òàìè äîñòàòî÷íî ñõîæè ñ ñèììåòðè÷íûìè äî äîñòè-
æåíèÿ òîêîì çíà÷åíèÿ 100 ìÀ, ïîñëå ÷åãî ñïåêòð èç-
ëó÷åíèÿ ñäâèãàåòñÿ â äëèííîâîëíîâóþ îáëàñòü è
ñòàíîâèòñÿ íåñèììåòðè÷íûì (ðèñ. 2,á).
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3 379
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ðàäèóñ ìåçû, ìêì
I
,1
0
A
/ì
z
7
2
0 6 9
10
Êîëüöåâîé
êîíòàêò
Êðàé
ìåçû
Êîíòàêò
Ëèíèè òîêà
ïîëîæåíèå
WGM
ìîäû
�10–4
�10–5
Ðèñ. 1. Ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà ïî ðàäèóñó R
êðóãëîé ìåçû ñ êîëüöåâûì êîíòàêòîì. Íà âñòàâêå —
êàðòèíà ðàñïðåäåëåíèÿ ëèíèé òîêà.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äëÿ àñèììåòðè÷íîãî êîíòàêòà
ñóùåñòâóåò îáëàñòü âûñîêîé ïëîòíîñòè òîêà ñ áîëü-
øèì îïòè÷åñêèì óñèëåíèåì îêîëî êðàÿ ìåçû. Ïðè
ðàñïîëîæåíèè êîíòàêòà â öåíòðå ìåçû ðàññòîÿíèå
ìåæäó êîíòàêòîì è êðàåì ìåçû ñëèøêîì âåëèêî äëÿ
ñóùåñòâîâàíèÿ òàêîé îáëàñòè ïðè èñïîëüçîâàííûõ
òîêàõ èíæåêöèè. Íåñìîòðÿ íà òî ÷òî óñèëåíèå âáëè-
çè êîíòàêòà ñóùåñòâóåò, èçëó÷åíèå çàòóõàåò ïðè
ïðèáëèæåíèè ê êðàþ ìåçû. Âñëåäñòâèå ýòîãî èçìå-
íåíèå ôîðìû ñïåêòðà íàáëþäàëîñü òîëüêî â ñòðóê-
òóðàõ ñ àñèììåòðè÷íûì êîíòàêòîì, óñòàíîâëåííûì
íà ðàññòîÿíèè íå äàëüøå 200 ìêì îò êðàÿ ìåçû.
Ïðè÷èíà ýòîãî ÿâëåíèÿ â òîì, ÷òî áëàãîäàðÿ äàííî-
ìó ýôôåêòó çíà÷åíèå ïëîòíîñòè òîêà â ýòèõ ñòðóê-
òóðàõ áëèçêî ê çíà÷åíèþ, ïîëó÷åííîìó äëÿ ïîëó-
ïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ íà îñíîâå InAs.
Èçìåíåíèå ôîðìû ñïåêòðà ìîæíî îïèñàòü ñëå-
äóþùèì îáðàçîì. Èçâåñòíî [5], ÷òî ôîðìà ñïåêòðà
ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ Rsp è êîýôôèöèåíò îïòè÷å-
ñêîãî óñèëåíèÿ G îïèñûâàþòñÿ ñëåäóþùèìè âûðà-
æåíèÿìè:
R r L E dEeh ehsp sp( ) ( ) ( )� �� �� � ,
G g L E dEeh eh( ) ( ) ( )� �� �� � , (3)
ãäå
L E
/
E /
eh
eh
( )
( ) ( )
�
� �
1
2 2
�
�
� �
in
in
— ôóíêöèÿ Ëîðåíöà, îïèñûâàþùàÿ óøèðåíèå ëè-
íèè, à �/
in — âíóòðèçîííîå âðåìÿ ýíåðãåòè÷åñêîé
ðåëàêñàöèè íîñèòåëåé òîêà. Çíà÷åíèÿ rspè g îïðåäå-
ëÿþòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:
r A E E f feh g c vsp opt� � �� � �( ) ( ) ( ),� 1
g A E E f fg c v� � ��( )( )eh ,
� �A
e
n m
M� �
�
�
�
�
1 2
2
0
2
2
�
�
�
. (4)
Çäåñü n — êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ,
n dn/dg � � �( ); M — ìàòðè÷íûé êîýôôèöèåíò ïå-
ðåõîäà, fc è fv — ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ Ôåðìè â
çîíå ïðîâîäèìîñòè è âàëåíòíîé çîíå ñîîòâåòñòâåííî.
Ñîîòíîøåíèÿ, ñâÿçûâàþùèå ïëîòíîñòè òîêîâ Nc
è Nv , ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ Ôåðìè è âûðàæåíèå
äëÿ ïëîòíîñòè îïòè÷åñêèõ ìîä �opt , õîðîøî èçâåñò-
íû (ñì., íàïðèìåð, [5]), à E E Eeh e h� �( ).
Òàêèì îáðàçîì, ñïåêòðû, ïðèâåäåííûå íà ðèñ. 2,à,
ìîãóò áûòü àïïðîêñèìèðîâàíû ïîäáîðîì ïàðàìåò-
ðîâ óðàâíåíèÿ (3). Ïîäãîíî÷íûìè ïàðàìåòðàìè
ñëóæàò âíóòðèçîííîå âðåìÿ ðåëàêñàöèè è ïëîòíîñòü
íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé Nc, îäèíàêîâàÿ äëÿ äû-
ðîê è ýëåêòðîíîâ. Âñå îñòàëüíûå ïàðàìåòðû âûáðà-
íû ðàâíûìè ïàðàìåòðàì InAs ïðè êîìíàòíîé òåìïå-
ðàòóðå. Ðåçóëüòàò òàêîé àïïðîêñèìàöèè ïîêàçàí íà
ðèñ. 3, øòðèõîâîé ëèíèåé îáîçíà÷åíû âû÷èñëåííûå
ñïåêòðû óñèëåíèÿ. Íà ýòîì æå ðèñóíêå ïîêàçàí ðàñ-
ñ÷èòàííûé ñ ïîìîùüþ ïîëó÷åííûõ òàêèì îáðàçîì
ïàðàìåòðîâ ñïåêòð óñèëåíèÿ. Âèäíî, ÷òî óñèëåíèå
îñîáî ñóùåñòâåííî â äëèííîâîëíîâîé ÷àñòè ñïåêòðà
èçëó÷åíèÿ. Äëÿ îöåíêè òåìïåðàòóðû àêòèâíîé îá-
ëàñòè âîñïîëüçóåìñÿ òåì, ÷òî, êàê ïîêàçàíî â [6],
ñäâèã ñïåêòðà ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò
áîëüøåé ÷àñòüþ èç-çà òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòè
øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû. Èçâåñòíî, ÷òî äëÿ InAs
â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 300–450 Ê ýòà çàâèñèìîñòü
ëèíåéíàÿ, ò.å. Eg = (0,357–3,5)�10–4 ýÂ (T = 300 Ê).
Ýòî ïîçâîëèëî íàì îöåíèòü òåìïåðàòóðó âíóòðè àê-
òèâíîé îáëàñòè äèîäà ñ ïîìîùüþ ïðèáëèæåíèÿ
ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ. Ìû îöåíèëè, ÷òî ìàêñèìàëüíûé
ïåðåãðåâ ñîñòàâëÿåò ïîðÿäêà 25°Ñ äëÿ äèîäîâ ñ ñèì-
ìåòðè÷íûì êîíòàêòîì è 70°Ñ äëÿ íåñèììåòðè÷íûõ.
Àïïðîêñèìàöèÿ ñïåêòðà, ïðèâåäåííîãî íà ðèñ. 2,à,
ïîêàçûâàåò, ÷òî çíà÷åíèå ïàðàìåòðà �/
in îäèíàêîâî
äëÿ âñåõ êðèâûõ (�/
in = 0,006 ýÂ ïðè
in= 0,1 ïñ),
380 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3
Í.Ñ. Àâåðêèåâ è äð.
2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8
0
5
10
15
20
110 ìA
100 ìA
90 ìA
80 ìA
70 ìA
60 ìA
50 ìA
40 ìA
30 ìA
T = 300 K
f = 5,0 êÃö
Q = 50 %
Ùåëü 3,0 3,0 ìì
(V2233S10-720)
Äëèíà âîëíû, ìêì
Î
òí
î
ñè
òå
ëü
í
àÿ
è
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
. å
ä
.
2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0
5
10
15
20
25
30 300 ìA
268 ìA
250 ìA
220 ìA
200 ìA
178 ìA
160 ìA
140 ìA
130 ìA
120 ìA
110 ìA
100 ìA
90 ìA
80 ìA
70 ìA
60 ìA
50 ìA
40 ìA
30 ìA
26 ìA
20 ìA
15 ìA
10 ìA
7 ìA
5 ìA
3 ìA
0
Äëèíà âîëíû, ìêì
Î
òí
î
ñè
òå
ëü
í
àÿ
è
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
. å
ä
.
T = 300 K
f = 5,0 êÃö
Q = 50 %
Ùåëü 3,0 3,0 ìì
(V2233S10-720)
à
á
Ðèñ. 2. Ñïåêòðû ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèè InAs äèîäîâ ñ
ñèììåòðè÷íûì êîíòàêòîì (à) è êîíòàêòîì, ñìåùåííûì îò-
íîñèòåëüíî öåíòðà, (á) äëÿ ðàçëè÷íûõ òîêîâ èíæåêöèè.
÷òî ãîâîðèò î ñëàáîé òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòè
in . Îïðåäåëèâ êîíöåíòðàöèþ íîñèòåëåé è �/
in èç
àïïðîêñèìàöèè ñïåêòðà ñòðóêòóðû ñ ñèììåòðè÷íûì
êîíòàêòîì, ìîæíî âû÷èñëèòü âèä ñïåêòðà óñèëåíèÿ
äëÿ ýòèõ æå ïàðàìåòðîâ è îöåíèòü êîýôôèöèåíò
ïîëíîãî óñèëåíèÿ G, àïïðîêñèìèðóÿ ñïåêòð ñòðóê-
òóðû ñ íåñèììåòðè÷íûì êîíòàêòîì. Ýòà ìåòîäèêà
äàåò çíà÷åíèÿ ïëîòíîñòè òîêà îò Nc = 3,25�1017 ñì–3
äëÿ çíà÷åíèé òîêà 100 ìÀ äî Nc = 4�1017 ñì–3 äëÿ
400 ìÀ. Ïðè äàëüíåéøåé àïïðîêñèìàöèè ñïåêòðîâ
ïðè âûñîêèõ çíà÷åíèÿõ òîêà ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì
îöåíèòü êîýôôèöèåíò îäíîïðîõîäíîãî óñèëåíèÿ.
Îêàçàëîñü, ÷òî G � 1,4, êîòîðûé äëÿ îáëàñòè óñèëå-
íèÿ 200 ìêì äëèíîé àíàëîãè÷åí êîýôôèöèåíòó óñè-
ëåíèÿ 17 ñì–1.
Òàêèì îáðàçîì, óñòàíîâëåíî, ÷òî êîýôôèöèåíò
îäíîïðîõîäíîãî óñèëåíèÿ InAs ïðè êîìíàòíîé òåì-
ïåðàòóðå áîëüøå åäèíèöû, îäíàêî îí ñëèøêîì ìàë
äëÿ ñîçäàíèÿ ïîëîñêîâîãî ëàçåðà, ðàáîòàþùåãî ïðè
òåìïåðàòóðå 300 Ê, ïîñêîëüêó äîáðîòíîñòü ðåçîíà-
òîðà òàêîãî ëàçåðà ñëèøêîì ìàëà. Â ýòîé ñèòóàöèè
âûñîêîäîáðîòíûå äèñêîâûå ðåçîíàòîðû ÿâëÿþòñÿ
õîðîøåé àëüòåðíàòèâîé. Ê ðàññìîòðåíèþ òàêèõ ðå-
çîíàòîðîâ ìû ïåðåõîäèì â ñëåäóþùåé ÷àñòè ñòàòüè.
3. Òåîðèÿ öèëèíäðè÷åñêèõ âîëíîâîäîâ
Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå, ïåðåäàâàåìîå ïî
öèëèíäðè÷åñêîìó âîëíîâîäó, îïèñûâàåòñÿ ïîëÿìè
E, D, H, B, óäîâëåòâîðÿþùèìè óðàâíåíèÿì Ìàê-
ñâåëëà äëÿ ëèíåéíîé, îäíîðîäíîé è íåïðîâîäÿùåé
ñðåäû, íå èìåþùåé èñòî÷íèêîâ.
Äëÿ öèëèíäðè÷åñêîãî âîëíîâîäà ñ ðåçêèìè ãðàíè-
öàìè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ìîæíî ïîëó÷èòü òî÷-
íûå ðåøåíèÿ óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà. Åñòåñòâåííî
ñ÷èòàòü, ÷òî íà áåñêîíå÷íîñòè êîìïîíåíòû ìàãíèòíî-
ãî è ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëåé ñòðåìÿòñÿ ê íóëþ, à íà
ãðàíèöå âîëíîâîäà òàíãåíöèàëüíûå êîìïîíåíòû ïî-
ëåé E è H íåïðåðûâíû. Îñü z âûáðàíà âäîëü îñè ðàñ-
ñìàòðèâàåìîãî öèëèíäðà. Ðàäèóñ öèëèíäðà ðàâåí a.
Âñëåäñòâèå àêñèàëüíîé ñèììåòðèè öèëèíäðà
ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî è
ìàãíèòíîãî ïîëåé E è H èìåþò âèä:
E E i kz m i ti i� � �( ) exp[ ( )] exp( )� � � (5)
H H i kz m i ti i� � �( ) exp[ ( )] exp( )� � � . (6)
 öèëèíäðè÷åñêèõ êîîðäèíàòàõ êîìïîíåíòû
ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ E�, E� è H�, H� ìîãóò áûòü
âûðàæåíû ÷åðåç z-êîìïîíåíòû ïîëÿ ñëåäóþùèì îá-
ðàçîì:
E k
m
E i
c
H
c
k
E ikE
c
z z
z
�
�
� �
�
� �
�
�
�
� � � �
�
�
�
�
�
� � �
� � �
1
1
2
2
2
2
2
2
H
H i
c
E k
m
H
H
m
E ikH
z
z z
z z
�
��
�
��
� � �
�
�
�
�
�
�
� � �
�
�
�
�
�
�
�
�
�
1
1
2
2
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ,
(7)
ãäå E�, H� — ïðîèçâîäíûå ïî �. Ïðèíöèïèàëüíûì
ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî òîëüêî ïðè k = 0 E
�
, E
�
âûðàæàþò-
ñÿ ÷åðåç Hz, à H
�
, H
�
÷åðåç Åz. Òàêèì îáðàçîì, ïðè
k = 0 ïîëó÷àåì ëèáî E-âîëíû, ëèáî H-âîëíû. Ïðè
k ! 0 ñîáñòâåííûå ìîäû öèëèíäðè÷åñêîãî âîëíîâî-
äà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñóïåðïîçèöèþ E- è H-ìîä.
Îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì óðàâíåíèÿ äëÿ Ez(�) è
Hz(�) äëÿ ñëó÷àÿ � " a:
1 12
2
2
2
2
2
2
� �
� �
�
� � �
� �
�
d
d
E
c
k
m
E
d
d
E
m
z z z� � � �
�
�
�
�
�
�
�
� � � �
2
2
2
2
2
2
0
1 1
�
�
�
�
�
�
�
�
� � � �
�
�
�
�
�
�
�
�
E
d
d
H
c
k
m
H
d
z
z z� �
� �
�
� � d
H
m
Hz z�
� �
�
� � �
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
2
2
2
0.
(8)
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3 381
2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Äëèíà âîëíû, ìêì
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
. å
ä
.
Ðèñ. 3. Èçìåðåííûé ñïåêòð ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèè ïðè
òîêå 107 ìA ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå (ñïëîøíàÿ ëè-
íèÿ) è òåîðåòè÷åñêèé ñïåêòð (ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ). Òî÷-
êàìè ïîêàçàí ñïåêòð óñèëåíèÿ, ðàññ÷èòàííûé ñ ïîìîùüþ
ïàðàìåòðîâ, ïîëó÷åííûõ èç àïïðîêñèìàöèè ýêñïåðèìåí-
òàëüíîãî ñïåêòðà (Ns = 3,25�1017 ñì–3, � = 10–13 c).
(9)
Âíå ðåçîíàòîðà, ò.å. äëÿ ñëó÷àÿ � # a, óðàâíåíèÿ
àíàëîãè÷íû ñ ó÷åòîì � = 1. Äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ðå-
øåíèé, óáûâàþùèõ ïðè � $ 0, íåîáõîäèìî âûïîë-
íåíèå äâóõ ñëåäóþùèõ óñëîâèé:
� �
�2
2
2
2 0� � #
c
k ,
�2
2
2 0
c
k� % . (10)
Òîãäà ðåøåíèÿ, êîíå÷íûå âíóòðè êðóãà ðàäèóñîì
a è îãðàíè÷åííûå ïðè � $ 0, áóäóò èìåòü ñëåäóþ-
ùèé âèä:
E A J H A J r a
E B K q H B K q
z m z m
z m z m
� � %
� �
1 2
1 2
( ); ( );
( ); ( )
�� ��
� � ; ; .q k
c
r a2 2
2
2
� � #
�
�
�
�
�
(11) Èìååì ÷åòûðå íåèçâåñòíûõ è ÷åòûðå ãðàíè÷íûõ
óñëîâèÿ. Ýòè óðàâíåíèÿ ïðèâîäÿò ê ñëåäóþùåìó
äèñïåðñèîííîìó óðàâíåíèþ:
k
m
a
J a
q c
J a K q
qKm
m m
m
2
2
2
2
2 2
2 2
2
1 1
( )
( ) ( )
�
�
� � �
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
q
J a J a K q
qK q
J a
q
m m m
m
m
�
�
�
� �
�
� �
�
��
�
�
�
�
�
�
�
��
�
�
�
�
� � 0. (12)
Íàìè áûëè ðàññìîòðåíû ìîäû äèýëåêòðè÷åñêîãî
âîëíîâîäà ñ ïàðàìåòðàìè, áëèçêèìè ê ðåàëüíûì:
a � 100 ìêì, � � 15, & � 3 ìêì (â âàêóóìå), m � 600.
Ïðè ýòîì îêàçàëîñü, ÷òî ñëàãàåìîå, ñîäåðæàùåå
�2 2/c , ìàëî, òàê ÷òî ïîëîæåíèÿ ìîä ìîãóò áûòü îï-
ðåäåëåíû èç óñëîâèÿ E�, Ez � 0 ïðè z = a. Îäíàêî
ïðè îïðåäåëåíèè ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ìîäàìè íåîáõî-
äèìî ó÷èòûâàòü ÷ëåíû óðàâíåíèÿ (12), ñîäåðæàùèå
ìíîæèòåëü �/c. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ äëÿ ìåçû ðà-
äèóñîì 100 ìêì ïðè k n/Lz z� 2 , Lz = 1 ìêì, n = 1
ïîêàçûâàþò, ÷òî ìåæìîäîâûå ðàññòîÿíèÿ ëåæàò â èí-
òåðâàëå îò 25 äî 50 �. Ïðè n = 2 â ïîëóïðîâîäíèêå íå
ñóùåñòâóåò ìîä ñ äëèíîé âîëíû 1 ìêì. Îòìåòèì, ÷òî
äëÿ èñïîëüçóåìûõ ïàðàìåòðîâ Ez è E� >> E�. Ïîýòî-
ìó èíòåíñèâíîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ìîæíî
ïðåäñòàâèòü â âèäå
E m kz E Em z
2 2 2 2� � �cos ( )( )� � . (13)
Õàðàêòåðíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ïðè-
âåäåíî íà ðèñ. 4. Îòìåòèì, ÷òî òåîðåòè÷åñêè ðàññ÷è-
òàííàÿ äîáðîòíîñòü ðàññìàòðèâàåìîãî öèëèíäðè÷å-
ñêîãî ðåçîíàòîðà ñ «çåðêàëüíûìè» òîðöàìè
îêàçûâàåòñÿ ðàâíîé áåñêîíå÷íîñòè. Ýêñïåðèìåí-
òàëüíî èçìåðåííàÿ âåëè÷èíà äîáðîòíîñòè òàêèõ ðå-
çîíàòîðîâ îêàçûâàåòñÿ ïîðÿäêà 106 [4]. Òàêèì îáðà-
çîì, ëàçåð ñ öèëèíäðè÷åñêèì ðåçîíàòîðîì äîëæåí
ðàáîòàòü äàæå ïðè ìàëîì êîýôôèöèåíòå óñèëåíèÿ.
4. WGM-ëàçåðû
Ýêñïåðèìåíò è îáðàçöû
Ñâåòîèçëó÷àþùèå ëàçåðíûå äèîäû èçãîòîâëåíû
íà îñíîâå äâîéíûõ ãåòåðîñòðóêòóð (ÄÃÑ)
InAsSbP/InAs1–xSbx/InAsSbP, âûðàùåííûõ ìåòî-
äîì æèäêîôàçíîé ýïèòàêñèè (ÆÔÝ).
Äëÿ âûðàùèâàíèÿ ÄÃÑ èñïîëüçîâàíà ñòàíäàðò-
íàÿ ãðàôèòîâàÿ êàññåòà. Ñòðóêòóðû âûðàùèâàëè íà
ïîäëîæêå InAs, îðèåíòèðîâàííîé [100]. Ïîäëîæêè
ïðåäñòàâëÿëè ñîáîé ïðÿìîóãîëüíèêè ðàçìåðîì
16�18 ìì ñ êîíöåíòðàöèåé ëåãèðóþùåé ïðèìåñè îò
2�1016 äî 5�1018 ñì–3. Òåõíîëîãè÷åñêèå îñîáåííîñòè
îïèñàíû â ðàáîòàõ [1,2, 7–9].
Àêòèâíàÿ îáëàñòü ÄÃÑ ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé òâåð-
äûé ðàñòâîð InAs1–xSbx ñ x èçìåíÿâøèìñÿ îò 0 äî
0,11. Êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé â àêòèâíîé îáëàñòè
ñîñòàâëÿëà ïîðÿäêà 5•1015 ñì–3. Òàêóþ êîíöåíòðà-
öèþ óäàëîñü ïîëó÷èòü â ðåçóëüòàòå ãåíåðèðîâàíèÿ
àêòèâíîé îáëàñòè èòòåðáèåì, èñïîëüçóÿ â êà÷åñòâå
íåéòðàëüíîãî ðàñòâîðèòåëÿ ñâèíåö [9]. Òîëùèíà àê-
òèâíîé îáëàñòè ñîñòàâëÿëà ïîðÿäêà 0,5–0,7 ìêì.
Àêòèâíàÿ îáëàñòü áûëà çàêëþ÷åíà ìåæäó n- è
p-òèïàìè øèðîêîçîííîãî òâåðäîãî ðàñòâîðà InAsSbP.
Øèðîêîçîííûå îáëàñòè n-òèïà ëåãèðîâàëèñü Sn äî
êîíöåíòðàöèè 5�1018 ñì–3, à p-òèïà Zn — äî êîíöåí-
òðàöèè 1�1018 ñì–3.
Ëàçåðíûå äèîäû èçãîòàâëèâàëè èç ýïèòàêñèàëü-
íûõ ñòðóêòóð ñ èñïîëüçîâàíèåì ñòàíäàðòíîé ôîòî-
382 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3
Í.Ñ. Àâåðêèåâ è äð.
Êðàé
ìåçû
Ðàäèóñ ìåçû, ìêì
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0
92 94 96 98 100
Å
,ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
2
Ðèñ. 4. Ðàññ÷èòàííàÿ èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ â öèëèí-
äðè÷åñêîì âîëíîâîäå.
ëèòîãðàôèè è ðåàêòèâíîãî èîííîãî òðàâëåíèÿ â ãà-
çîâîé ñðåäå CH4:H2. Ðàçìåðû êðóãëîé ìåçû èçìåíÿëè
îò 100 äî 1000 ìêì. Ïîñëå òðàâëåíèÿ ìåçà ïàññèâèðî-
âàëàñü ñ ïîìîùüþ Si3N4. Îìè÷åñêèå êîíòàêòû ñîçäà-
âàëè ïóòåì òåðìè÷åñêîãî íàïûëåíèÿ AuZn:Au íà
p-êîíòàêò è AuTe:Au íà n-êîíòàêò. Âåðõíèé êîíòàêò
ïðåäñòàâëÿë ñîáîé êîëüöî øèðèíîé 30 ìêì, îòñòîÿùåå
îò êðàÿ ìåçû íà 10 ìêì. Êðèñòàëë ïðèïàèâàëè íà
êîðïóñ ÒÎ-49 ñ ïîìîùüþ In. Èçëó÷àåìûé ñâåò ñîáè-
ðàëñÿ ïàðàáîëè÷åñêèì îòðàæàòåëåì. Ñõåìà òèïîâîãî
ïðèáîðà ïîêàçàíà íà ðèñ. 5.
Ñïåêòðû ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèè ëàçåðíûõ äèî-
äîâ èçó÷àëè â èìïóëüñíîì è êâàçèíåïðåðûâíîì ðå-
æèìàõ. Â èìïóëüñíîì ðåæèìå äëèòåëüíîñòü èì-
ïóëüñà ìåíÿëàñü îò 50 íc äî 30 ìêñ, à ÷àñòîòà
ñëåäîâàíèÿ — îò 1 äî 50 êÃö. ×åðåç ïðèáîð ïðîïóñ-
êàëè òîê îò 0,1 äî 10 À. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëè â
òåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå 4–300 Ê.
Ìèêðîôîòîãðàôèÿ èçãîòîâëåííîãî òàêèì îáðà-
çîì ëàçåðíîãî äèîäà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 6.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå
 äàííîì ðàçäåëå ïðîàíàëèçèðóåì ñïåêòðàëüíûå
çàâèñèìîñòè äâóõ òèïîâ ëàçåðíûõ äèîäîâ ñ àêòèâ-
íîé îáëàñòüþ èç òâåðäîãî ðàñòâîðà InAs1–xSbx (x
ìîæåò ìåíÿòüñÿ îò 0 äî 0,11 %) îò âåëè÷èíû òîêà
èíæåêöèè è òåìïåðàòóðû. Ïåðâûé òèï ïðèáîðîâ ñ
àêòèâíîé îáëàñòüþ íà îñíîâå InAs (ïðè õ = 0) è âòî-
ðîé — íà îñíîâå InAs0,89Sb0,11 (ïðè õ = 0,11, ò.å. â
òâåðäîì ðàñòâîðå ñîäåðæàíèå Sb = 11 % , ýòî ìàêñè-
ìàëüíî âîçìîæíîå, ïðè ñèíòåçå ìåòîäîì ÆÔÝ).
Ïðè òåìïåðàòóðå 77 Ê ïðèáîðû ïåðâîãî òèïà èçëó-
÷àëè íà äëèíå âîëíû 3,04 ìêì, à âòîðîãî — íà äëè-
íå âîëíû 3,9 ìêì. Áûëè ñîçäàíû ïðèáîðû ñ äèàìåò-
ðîì äèñêîâîãî ðåçîíàòîðà îò 100 äî 1000 ìêì.
Íà ðèñ. 7 ïîêàçàí ñïåêòð êîãåðåíòíîãî èçëó÷åíèÿ
ïðèáîðà ñ äèàìåòðîì äèñêà 200 ìêì, ñíÿòûé ñ âûñî-
êèì ðàçðåøåíèåì. Âèäíî, ÷òî èçëó÷åíèå èìååò ïå-
ðèîäè÷åñêóþ ñòðóêòóðó. Ìåæìîäîâîå ðàññòîÿíèå
âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå [2]
L
m
�
&
&
2
2 '
, (14)
÷òî õîðîøî ñîãëàñóåòñÿ ñ âû÷èñëåíèÿìè, îïèñàííû-
ìè â ðàçäåëå 3, è ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî èç ðàçëîæå-
íèÿ ôîðìóëû (12) ïðè áîëüøèõ m.
Íà ðèñ. 8 ïðèâåäåíû òîêîâàÿ è òåìïåðàòóðíàÿ
ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè äëÿ ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì
äèñêà 200 ìêì. Âèäíî, ÷òî âî âñåì èíòåðâàëå òîêîâ
îò 4Ith äî 27Ith ñïåêòð ñîõðàíÿåò ïåðèîäè÷åñêóþ
ñòðóêòóðó ñ ìåæìîäîâûì ðàññòîÿíèåì 40 �, ñ óâå-
ëè÷åíèåì òîêà è òåìïåðàòóðû ñïåêòð ñìåùàåòñÿ â
äëèííîâîëíîâóþ îáëàñòü, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñäâèãó
ñïåêòðà óñèëåíèÿ ñ òåìïåðàòóðîé.
Îñîáåííîñòü äàííûõ ëàçåðíûõ äèîäîâ ñîñòîèò â
òîì, ÷òî, â îòëè÷èå îò îáû÷íûõ ëàçåðîâ ñ ðåçîíàòî-
ðîì Ôàáðè—Ïåðî, îíè ðàáîòàþò äî òîêîâ, â 27 ðàç
ïðåâûøàþùèõ ïîðîãîâûé, è äî òåìïåðàòóð âïëîòü
äî 150 Ê.
Ðàññìîòðèì èçìåíåíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðè-
ñòèê WGM-ëàçåðà ïðè óâåëè÷åíèè äèàìåòðà ðåçî-
íàòîðà â äâà ðàçà. Íà ðèñ. 9 ïðèâåäåíû òîêîâûå è
òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè äëÿ ëàçåðîâ ñ ðåçîíàòî-
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3 383
6
0
100
200
300
400
500
600
700
N
-I
nA
sS
bP
0
.4
0
P
- I
nA
sS
bP
n 0
- I
nA
s
p
- I
nA
s
Ý
íå
ðã
èÿ
, ì
ýÂ
Ðàññòîÿíèå, ïðîèçâ. åä.
0 2 4 8
InAsSbP
îáêëàäêà
InAsSbP
îáêëàäêà
InAsSb
àêòèâíûé ñëîé
InAs
ïîäëîæêà
3 ìêì
3 ìêì
0,7 ìêì
0
.4
0
6
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 8 10
N
+
-
In
As
S
bP
n+ -
In
As
S
b
n+
-
In
As
0,
30
0,
06
-
In
As
S
bP
0,
30
- I
nA
sS
b 0,
11
n0
P+
à
á
Ý
íå
ðã
èÿ
, ì
ýÂ
Ðàññòîÿíèå, ïðîèçâ. åä.
â
Ðèñ. 5. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ
ñòðóêòóð, èñïîëüçîâàííûõ ïðè ñîçäàíèè ëàçåðíûõ äèî-
äîâ: äëÿ ëàçåðà ñ InAs â àêòèâíîé îáëàñòè (à), ëàçåðà ñ
InAs0,89Sb0,11 â àêòèâíîé îáëàñòè (á), ñõåìàòè÷åñêîå
èçîáðàæåíèå ëàçåðíîé ñòðóêòóðû (â).
ðîì äèàìåòðîì 400 ìêì ïðè òåìïåðàòóðå 4 Ê. Âî âñåì
èíòåðâàëå òîêîâ (ðèñ. 9,à) îò 1,4Ith äî 11Ith ñïåêòð
èìååò ïåðèîäè÷åñêóþ ñòðóêòóðó ñ ìåæìîäîâûì ðàñ-
ñòîÿíèåì ïîðÿäêà 20 �, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò òåîðåòè÷å-
ñêèì çíà÷åíèÿì, ðàññ÷èòàííûì íàìè. Ïðè 4 Ê ëèíèè
ñïåêòðà ñìåùàþòñÿ â äëèííîâîëíîâóþ îáëàñòü ïðè
óâåëè÷åíèè òîêà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íàãðåâå àêòèâ-
íîé îáëàñòè. Äðóãàÿ îñîáåííîñòü èññëåäóåìîãî òèïà
ëàçåðîâ ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ñîñòîèò â òîì, ÷òî â
èíòåðâàëå òîêîâ îò 1,4Ith äî 2Ith äîìèíèðóþò ëàçåð-
íûå ïèêè íà äëèíàõ âîëí 2,988 ìêì (415 ìýÂ),
2,986 ìêì (415,3 ìýÂ) è 2,968 ìêì (417,8 ìýÂ). Ïðè
òîêàõ, áîëüøèõ 3Ith, ïîÿâëÿåòñÿ ãðóïïà ëèíèé â îá-
ëàñòè 2,96 ìêì (419 ìýÂ). Äàííûé ýôôåêò ìîæíî
îáúÿñíèòü ïåðåñòðîéêîé (çàïîëíåíèåì âåðõíèõ ïîä-
çîí ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ) ñ óâåëè÷åíèåì òîêà â
ñàìîñîãëàñîâàííûõ ÿìàõ íà ãåòåðîãðàíèöå.
Òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè ñïåêòðîâ WGM-ëàçå-
ðîâ, ïðèâåäåííûå íà ðèñ. 9, ïîêàçûâàþò, ÷òî äàííûé
òèï ëàçåðîâ ðàáîòàåò âïëîòü äî òåìïåðàòóð 125 Ê.
Ïîìèìî ëàçåðîâ ñ àêòèâíîé îáëàñòüþ èç InAs
(ðèñ. 10,à), íàìè áûëè èçãîòîâëåíû ëàçåðû ñ àêòèâ-
íîé îáëàñòüþ èç InAs0,86Sb0,11 (ðèñ.10,á) ñ äèàìåò-
ðîì äèñêà 400 ìêì. Ïðè òåìïåðàòóðå 77 Ê îòëè÷è-
òåëüíîé îñîáåííîñòüþ ñïåêòðîâ òàêèõ ïðèáîðîâ
ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî, â îòëè÷èå îò ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì
äèñêà 200 ìêì, â ñïåêòðå èçëó÷åíèÿ äîìèíèðóþò îò-
äåëüíûå ìîäû âûñîêîé èíòåíñèâíîñòè. Ñïåêòðàëü-
íîå ðàññòîÿíèå ìåæäó òàêèìè ìîäàìè ñîñòàâëÿåò îò
40 äî 150 �, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îò 2 äî 8 ìåæìîäîâûõ
ðàññòîÿíèé WGM-ðåçîíàòîðà. Ïðè ýòîì ëàçåð íà
384 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3
Í.Ñ. Àâåðêèåâ è äð.
Ðèñ. 6. Ìèêðîôîòîãðàôèÿ WGM-ëàçåðà.
Äëèíà âîëíû, ìêì
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
3,00 3,083,063,043,02
Ò = 81,5 Ê
� = 1,0 ìêñ
Ùåëü 0,3 0,3 ìì�
I = 0,15 Ath
� = 3,0302 ìêì
40�
f = 22 êÃö
40�
V2230R
I = 0,4 A
Ðèñ. 7. Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ñ âûñîêèì ðàçðåøåíèåì äëÿ
ëàçåðà ñ äèàìåòðîì äèñêîâîãî ðåçîíàòîðà 200 ìêì ñ àê-
òèâíîé îáëàñòüþ InAs.
Äëèíà âîëíû, ìêì
Ì
î
ù
í
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
3,00 3,08 3,123,04
Ò = 81,5 Ê
� = 1,0 ìêñ
I = 0,15 Ath
f = 22 êÃö
V2230R
I = 0,4 A
à
4Ith
10Ith
14Ith
20Ith
27Ith
3,00 3,08 3,123,04
� = 1,0 ìêñ
f = 8 êÃö
V2230R
á
Ò = 150 Ê
Ì
î
ù
í
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
Ùåëü 0,5 0,5 ìì�
Ò = 130 Ê
Ò = 121 Ê
Ò = 112 Ê
Ò = 96 Ê
Ò = 81 Ê
Äëèíà âîëíû, ìêì
Ðèñ. 8. Òîêîâàÿ (à) è òåìïåðàòóðíàÿ (á) çàâèñèìîñòè ñïåê-
òðîâ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðèáîðà äèàìåòðîì 200 ìêì.
îñíîâå InAs ðàáîòàåò â êâàçèîäíîìîäîâîì ðåæèìå
âïëîòü äî äâóêðàòíîãî ïðåâûøåíèÿ ïîðîãîâîãî òîêà.
Ïðè äåòàëüíîì èçó÷åíèè ñïåêòðîâ ëàçåðîâ ñ äèà-
ìåòðîì ðåçîíàòîðà 400 ìêì ïðè 77 Ê â íèõ îáíàðó-
æèâàþòñÿ è äðóãèå ìîäû, ïîäàâëåííûå îòíîñèòåëüíî
ãëàâíîé ìîäû. Ìåæìîäîâîå ðàññòîÿíèå äëÿ áëèæàé-
øèõ ìîä ñîñòàâëÿåò ïîðÿäêà 17–20 � (ñì. ðèñ. 10),
÷òî ñîâïàäàåò ñ îöåíêîé ìåæìîäîâîãî ðàññòîÿíèÿ
WGM-ðåçîíàòîðà, ïîëó÷åííîãî ïî ôîðìóëå (14).
Èññëåäîâàíèå çàâèñèìîñòè âûõîäíîé ìîùíîñòè
îò ïëîòíîñòè òîêà â àêòèâíîé îáëàñòè, ðàññ÷èòàííîé
ïî ìåòîäèêå, îïèñàííîé âûøå, ïîêàçûâàåò (ñì. ðèñ.
11), ÷òî ýòà çàâèñèìîñòü äëÿ ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì
ðåçîíàòîðà 400 ìêì ñóùåñòâåííî îòëè÷àåòñÿ îò àíà-
ëîãè÷íîé çàâèñèìîñòè äëÿ ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì ðå-
çîíàòîðà 200 ìêì. Ýòî ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü, ÷òî
ðåæèì ðàáîòû ëàçåðà ñ äèàìåòðîì ðåçîíàòîðà 400
ìêì îòëè÷àåòñÿ îò ðåæèìà ðàáîòû ëàçåðà ñ äèàìåò-
ðîì ðåçîíàòîðà 200 ìêì, ïðè÷åì ýòî îòëè÷èå ñâÿçà-
íî ñ ðàçìåðîì ðåçîíàòîðà, à íå ñî ñòðóêòóðîé àêòèâ-
íîé îáëàñòè, ïîñêîëüêó ïðèáîðû, ñäåëàííûå íà
îñíîâå ðàçíûõ ìàòåðèàëîâ àêòèâíîé îáëàñòè è èçëó-
÷àþùèå íà ñóùåñòâåííî îòëè÷àþùèõñÿ äëèíàõ
âîëí, âåäóò ñåáÿ àíàëîãè÷íûì îáðàçîì.
Ïðè÷èíîé òàêîãî ðàçëè÷èÿ â ïîâåäåíèè WGM-ëà-
çåðîâ ðàçíûõ ðàçìåðîâ ìîæåò ñëóæèòü êàê òî îá-
ñòîÿòåëüñòâî, ÷òî íà ñàìîì äåëå ìîäû ðåçîíàòîðà,
íà êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ãåíåðàöèÿ, íå ÿâëÿþòñÿ
WGM-ìîäàìè, òàê è ðàçâèòèå íåëèíåéíûõ ïðîöåñ-
ñîâ â áîëüøèõ äèñêàõ, ïðèâîäÿùèõ ê ïðåèìóùåñò-
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3 385
3,012,95
� = 2,0 ìêñ
V2230
à
1,4Ith
4Ith
6Ith
8Ith
11Ith
Ùåëü 0,1 0,1 ìì�
2,94 3,06 3,093,00
� = 1,0 ìêñ
V2230
áI = 3Ith
Ùåëü 0,5 0,5 ìì�
Ì
î
ù
í
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
I = 0,65 Ath
f = 10 êÃö
Ì
î
ù
í
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
3Ith
2,992,97
2,97 3,03
f = 7 êÃö
Ò = 130 Ê
Ò = 125 Ê
Ò = 110 Ê
Ò = 100 Ê
Ò = 80 Ê
Äëèíà âîëíû, ìêì
Äëèíà âîëíû, ìêì
Ðèñ. 9. Òîêîâûå çàâèñèìîñòè ïîëîæåíèÿ ìîä ïðè òåìïå-
ðàòóðå 4 Ê (à) è òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè (á) ñïåê-
òðà èçëó÷åíèÿ ïðèáîðà äèàìåòðîì 400 ìêì ñ àêòèâíîé
îáëàñòüþ íà îñíîâå InAs.
3,00 3,01 3,02 3,04
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
Äëèíà âîëíû, ìêì
Ò = 81,5 Ê
= 1,0 ìêñ
Ùåëü 0,15 0,15 ìì
I = 0,65 Ath
= 3,017 ìêì f = 22 êÃö
17
I = 0,4 A
Äëèíà âîëíû, ìêì
17
V2230R
à
á
3,03
3,88 3,89 3,91 3,94
Ò = 77 Ê
= 2,0 ìêñ
Ùåëü 0,1 0,1 ìì
f = 8 êÃö
I = 1,6 A
V2346-2
3,923,90 3,93
0,2
0,4
0,6
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
0,2
0,4
0,6
0,8
Ðèñ. 10. Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ñ âûñîêèì ðàçðåøåíèåì äëÿ
ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì äèñêà 400 ìêì ñ àêòèâíîé îáëàñòüþ
íà îñíîâå InAs (à) è InAs0,86Sb0,11 (á).
âåííîé ãåíåðàöèè íà îòäåëüíûõ WGM-ìîäàõ. Ïðî-
òèâ ïåðâîãî ïðåäïîëîæåíèÿ ãîâîðèò òîò ôàêò, ÷òî
ïðîñòàÿ îöåíêà ðàçìåðà ðåçîíàòîðà ñ ìåæìîäîâûì
ðàññòîÿíèåì, ðàññ÷èòàííûì ïî ôîðìóëå (14), äàåò
âåëè÷èíó ïîðÿäêà 30–50 ìêì.  êðóãëîì ðåçîíàòîðå
äèàìåòðîì 400 ìêì îñîáåííîñòè â âûäåëåííîé îá-
ëàñòè òàêîãî ðàçìåðà îòñóòñòâóþò. Êðîìå òîãî,
ïèêè, ñîîòâåòñòâóþùèå WGM-ìîäàì, õîòü è ïîäàâ-
ëåííûå, íî âèäíû â ñïåêòðàõ (ñì. ðèñ. 10).
Òàêèì îáðàçîì, ïî íàøåìó ìíåíèþ, îïèñàííàÿ ðàç-
íèöà â ïîâåäåíèè WGM-ëàçåðîâ ñ äèàìåòðîì ðåçîíà-
òîðîâ 200 è 400 ìêì ñâÿçàíà ñ ðàçâèòèåì íåëèíåéíûõ
ïðîöåññîâ ïðè óâåëè÷åíèè äèàìåòðà ðåçîíàòîðà.
Íà ðèñ. 11 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè âûõîäíîé ìîù-
íîñòè ëàçåðà îò ïëîòíîñòè òîêà â àêòèâíîé îáëàñòè
(äëÿ îïðåäåëåííîñòè îòëîæåíà ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü
òîêà â êîëüöå 10 ìêì âáëèçè êðàÿ ìåçû). Íà ýòîì æå
ðèñóíêå ïîêàçàíà àíàëîãè÷íàÿ çàâèñèìîñòü äëÿ ïî-
ëîñêîâîãî ëàçåðà èç òîãî æå ìàòåðèàëà (äëÿ íåãî
ïëîòíîñòü òîêà ìîæíî ïîëó÷èòü, ðàçäåëèâ ïîëíûé
òîê íà ïëîùàäü êîíòàêòà) è äëÿ êîëüöà äèàìåòðîì
400 ìêì.
Èç ðèñ. 11 ñëåäóåò, ÷òî ïîðîãîâûé òîê WGM-ëà-
çåðîâ â íåñêîëüêî ðàç ìåíüøå ïîðîãîâîãî òîêà òðà-
äèöèîííîãî ïîëîñêîâîãî ëàçåðà, ÷òî ïîäòâåðæäàåò
òåçèñ î âûñîêîé äîáðîòíîñòè äèñêîâîãî ðåçîíàòîðà.
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ó ïîëîñêîâîãî ëàçåðà ñóùåñòâåí-
íî áîëüøå íàêëîí êðèâîé, ÷òî ïîêàçûâàåò, ÷òî ó
ïðèáîðà âíåøíèé êâàíòîâûé âûõîä áîëüøå.
Ìàëîñòü èçìåðåííîãî êâàíòîâîãî âûõîäà êîëüöå-
âîãî ëàçåðà, íà íàø âçãëÿä, îáúÿñíÿåòñÿ íåñêîëüêè-
ìè ïðè÷èíàìè. Âî-ïåðâûõ, ïîñêîëüêó íèêàêîå óñò-
ðîéñòâî äëÿ âûâåäåíèÿ ñâåòà èç ðåçîíàòîðà íå
èñïîëüçîâàíî, ñêîðåå âñåãî, èçìåðÿëàñü ëèøü ÷àñòü
âûõîäíîé îïòè÷åñêîé ìîùíîñòè, ÷òî ïðèâåëî ê çà-
íèæåíèþ âíåøíåãî êâàíòîâîãî âûõîäà. Âî-âòîðûõ,
ïîñêîëüêó WGM-ìîäà ëîêàëèçîâàíà âáëèçè ãðàíè-
öû ìåçû, ãäå â ñèëó ôèçè÷åñêèõ îáñòîÿòåëüñòâ ñîñðå-
äîòî÷åíû öåíòðû áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè,
âíóòðåííèé, à ñîîòâåòñòâåííî, è âíåøíèé êâàíòîâûé
âûõîä WGM-ëàçåðà äåéñòâèòåëüíî äîëæåí îêàçàòü-
ñÿ ìåíüøå, ÷åì ó ïîëîñêîâîãî. Îòâåòèòü íà âîïðîñ,
êàêîé èç ýòèõ äâóõ ôàêòîðîâ ïðåîáëàäàåò, âîçìîæíî
ëèøü ïðè äàëüíåéøåì èçó÷åíèè WGM-ëàçåðîâ.
Èç ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé âèäíî, ÷òî ïðè
óìåíüøåíèè äèàìåòðà WGM-ðåçîíàòîðà îò 1000 äî
200 ìêì ìàêñèìàëüíàÿ ðàáî÷àÿ òåìïåðàòóðà ëàçåðà
ñóùåñòâåííî ïîâûøàåòñÿ. Äëÿ áîëåå äåòàëüíîãî
èçó÷åíèÿ äàííîãî ïðîöåññà íàìè áûëè ñîçäàíû è èñ-
ñëåäîâàíû ëàçåðíûå äèîäû ñ äèàìåòðîì äèñêà 100
ìêì. Íà ðèñ. 12 ïðèâåäåíû ñïåêòðû ýëåêòðîëþ-
ìèíåñöåíöèè ïðèáîðîâ ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Âèäíî, ÷òî íà äëèííîâîëíîâîì êðàå ñïîíòàííîãî èç-
ëó÷åíèÿ (êàê áûëî ðàññìîòðåíî â ðàçä. 2 íàñòîÿùåé
ñòàòüè) íà äëèíàõ âîëí ïîðÿäêà 3,44 ìêì ïîÿâëÿþò-
ñÿ îñîáåííîñòè ñïåêòðà. Èõ ïîëîæåíèå ñîîòâåòñòâó-
åò ïîëîæåíèÿì ìàêñèìóìà ñïåêòðà óñèëåíèÿ (3)
ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Íà îñíîâàíèè ýòîãî
ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî äàííàÿ îñîáåííîñòü ñâÿ-
çàíà ñ íàëè÷èåì WGM-ìîä ïðè T = 300 Ê.
386 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3
Í.Ñ. Àâåðêèåâ è äð.
Î
ï
òè
֌
ñê
àÿ
ì
î
ù
í
î
ñò
ü,
ì
Â
ò
ïîëîñêîâûé
200 ìêì
400 ìêì
Ïëîòíîñòü òîêà, êÀ/ñì2
0
2
4
6
8
0 2 4 6 8 10 12 14
Ðèñ.11. Çàâèñèìîñòü âûõîäíîé ìîùíîñòè êîëüöåâûõ ëà-
çåðîâ äèàìåòðîì 200, 400 ìêì è ïîëîñêîâîãî ëàçåðà îò
ïëîòíîñòè òîêà â àêòèâíîé îáëàñòè.
2400 2800 3200 3600 4000
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0
WGM
à
á� = 2,0 ìêñ
Ùåëü 1 1 ìì�
f = 8 êÃö
I = 2 A
� = 2,0 ìêñ
Ùåëü 5 5 ìì�
f = 8 êÃö
I = 1,5 A
Äëèíà âîëíû, íì
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
Äëèíà âîëíû, íì
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü,
ï
ð
î
è
çâ
.å
ä
.
WGM
3200 3400 3600 3800
0,10
0,08
0,06
Ðèñ. 12. Ñïåêòðû ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèè ïðèáîðîâ ñ àê-
òèâíîé îáëàñòüþ íà îñíîâå InAs ñ äèàìåòðîì ðåçîíàòîðà
100 ìêì ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Çàêëþ÷åíèå
Îòìåòèì îñíîâíûå ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå â
äàííîé ðàáîòå.
Ïðåäëîæåí íîâûé ìåòîä èçìåðåíèÿ îäíîïðîõîä-
íîãî óñèëåíèÿ ñâåòîèçëó÷àþùèõ ñòðóêòóð, êîòîðûé
ïðèìåíèì íå òîëüêî äëÿ ñòðóêòóð íà îñíîâå InAs, íî
è äëÿ äðóãèõ ñâåòîèçëó÷àþùèõ ñòðóêòóð. Ïîêàçàíî,
÷òî îäíîïðîõîäíîå óñèëåíèå äâîéíûõ ãåòåðîñòðóê-
òóð íà îñíîâå InAs íåäîñòàòî÷íî äëÿ ñîçäàíèÿ íà èõ
îñíîâå ïîëîñêîâûõ ëàçåðîâ.
Ñîçäàíû WGM-ëàçåðû, èçëó÷àþùèå â ñðåäíåì
ÈÊ äèàïàçîíå. Ðàññìîòðåíà òåîðèÿ öèëèíäðè÷åñ-
êèõ âîëíîâîäîâ; ïîêàçàíî, ÷òî ýêñïåðèìåíòàëüíî
èçìåðåííûå ìåæìîäîâûå ðàññòîÿíèÿ õîðîøî ñîãëà-
ñóþòñÿ ñ ðàññ÷èòàííûìè. Ïîäòâåðæäåíî, ÷òî äîá-
ðîòíîñòü WGM-ðåçîíàòîðîâ äîñòàòî÷íî âåëèêà.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîçâîëÿþò ïðåäïîëî-
æèòü íàëè÷èå íåëèíåéíîé ïåðåñòðîéêè ñïåêòðà èç-
ëó÷åíèÿ WGM-ëàçåðîâ áîëüøîãî (áîëüøå 200 ìêì)
äèàìåòðà.
Ïðîäåìîíñòðèðîâàíà ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæ-
íîñòü ñîçäàíèÿ WGM-ëàçåðà ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçî-
íà, ðàáîòàþùåãî ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ÷àñòè÷íîé ïîääåðæêå íà-
ó÷íûõ ïðîãðàìì ÐÀÍ.
1. V.V. Sherstnev, A. Krier, A.M. Monakhov, and G.
Hill, Electronic Lett. 39, 916 (2003).
2. V.V. Sherstnev, A.M. Monakhov, A.P. Astakhova,
A.Yu. Kislyakova, Yu.P. Yakovlev, N.S. Averkiev, G.
Hill, and A. Krier, Semicond. J. 39, 1122 (2005).
3. V. Sherstnev, A. Monakhov, A. Krier, and D.A.
Wright, IEE Proc. Optoelectronics 152, 1 (2005).
4. D.A. Cohen, M. Hossein-Zadeh, and A.F.J. Levi, Solid
State Elect. 45, 1577 (2001).
5. S.W. Corzine, R.H. Yan, and L.A. Coldren, Optical
Gain in III–IV Bulk and Quantum Well
Semiconductors, Quantum Well Lasers, P.S. Zory
(ed.) New York; Academic (1993), P. 504.
6. A.M. Monakhov, A. Krier, and V.V. Sherstnev,
Semicond. Science Technology (UK) 19, 480 (2004).
7. A. Krier and V.V. Sherstnev, J. Appl. Phys. 33, 101
(2000).
8. A. Krier, H.H. Gao, and V.V. Sherstnev, IEE Proc.
Optoelectronics 147, 217 (2000).
9. A. Krier and V.V. Sherstnev, J. Phys. D36, 1484 (2003).
The physical operation principle of semiconductor
disk lasers
N.S. Averkiev, V.V. Sherstnev, A.M. Monakhov,
E.A. Grebenshikova, A.Yu. Kislyakova,
Yu.P. Yakovlev, A. Krier, and D.A. Wright
The physical operation principle of whisper-
ing gallery mode disk lasers (WGM lasers) is
considered. A new method of measuring single
pass gain is proposed. The theory of cylindrical
waveguides is considered. The spectral character-
istics of WGM lasers are measured at tempera-
tures ranged from 4 to 300 K. It is shown that
WGM lasers are very promising as laser sources
operating at room temperatures.
PACS: 42.55.Px Semiconductor lasers; laser di-
odes;
42.60.Da Resonators, cavities, amplifi-
ers, arrays, and rings;
42.79.Gn Optical waveguides and cou-
plers.
Keywords: laser, coherent emission, whispering
gallery modes.
Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ðàáîòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèñêîâûõ ëàçåðîâ
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2007, ò. 33, ¹ 2/3 387
|