Оптический усилитель 450 нм (Al, In) на основе технологии GaN с двойным волноводом j-образной формы для систем «усилитель мощности-задающий генератор»

Аннотация: В данной статье описан оптический усилитель бегущей волны с гетероструктурой раздельного ограничения с градиентным профилем показателя преломления, 450 нм (Al, In), на основе технологии GaN с двойным волноводом j-образной формы. Длина усилителя составляет 2,5 мм, а ширина гребня – 2,5 мкм. Активная область состоит из трех квантовых ям толщиной 3,5 нм. Оптическое усиление входных сигналов малой мощности, измеренное в непрерывном режиме при комнатной температуре, превысило 29 дБ. Выходная мощность насыщения составила 21 дБм при токе возбуждения 400 мА. Усилитель является хорошим решением для сине-фиолетовых лазеров, лазеров на основе нитридов и систем «задающий генератор – усилитель мощности».

Введение

Полупроводниковые оптические усилители представляют собой устройства, используемые для прямого усиления оптических сигналов. Структура этих усилителей является эпитаксиальной, как у стандартных лазерных диодов Фабри-Перо, однако их конструкция, как в случае с суперлюминесцентными диодами, препятствует формированию резонанса. Конструкция подразумевает использование просветляющих покрытий или / и геометрии полости изогнутого волновода. Более ранние исследования полупроводниковых оптических усилителей проводились с использованием материалов GaAs / AlGaAs, а затем InGaAsP / InP для усиления света в диапазоне от 630 до 1600 нм. Основной целью данного исследования было создание коротковолнового полупроводникового оптического усилителя, который можно использовать в качестве бустера, предварительного и встроенного усилителя в системах волоконно-оптических сетей, преобразователя длины волны, оптического мультиплексора, генератора оптических импульсов, оптического логического элемента и т.д.

Несмотря на то, что лазерные диоды на основе нитрида III группы используются уже давно, полупроводниковые оптические усилители на основе нитридов даже по сравнению с суперлюминесцентными диодами на основе нитридов используются относительно недавно. Основная работа над полупроводниковыми оптическими усилителями (Al, In) на основе технологии GaN проводилась компанией Sony group путем объединения оптического усилителя (Al, In) на основе технологии GaN с лазерным диодом с блокировкой режима в системе «задающий генератор – усилитель мощности» с целью генерирования высокой пиковой мощности и ультракоротких импульсов. Во всех этих устройствах длина волны при усилении находилась в диапазоне 400-405 нм. Такие короткие импульсы с высокой пиковой мощностью могут быть использованы при выполнении хирургических операций нового поколения на роговице для исправления нарушения рефракции. В более ранних исследованиях полупроводниковые оптические усилители представляли собой конические волноводные устройства с просветляющим покрытием длиной 2-3 мм с гребнем, расположенным под углом 3,5 ° или 5° относительно центральной оси чипов.

Данное исследование вызвано необходимостью обеспечить представителей сферы оптоэлектроники одномодовым источником света с высоким качеством луча для применения в качестве атомных часов (стронций, магний). Для этой цели требуется около 150-200 МВт оптической мощности и строго одномодовый режим. В данной статье описаны оптоэлектрические свойства оптического усилителя (Al, In) с максимальной длиной волны излучения 450 нм на основе технологии GaN с двойным волноводом j-образной формы. Такой оптический усилитель может быть эффективен в качестве базового оптического элемента в пластиковом оптическом волокне в системе оптоволоконной сети для решения проблемы последней мили, т.е. доставки связи до конечного потребителя. Более того, после соединения с лазерным диодом с распределенной обратной связью в системе «задающий генератор – усилитель мощности» усилитель может быть эффективен для измерения газа или доплеровского охлаждения в оптических атомных часах.

Изготовление образцов

Исследуемые устройства были изготовлены с помощью метода химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений на c-плоскости GaN-подложки. Эпитаксиальная структура представляет собой гетероструктуру раздельного ограничения с градиентным профилем показателя преломления (GRIN SCH) и линейным изменением показателя преломления. Эпитаксиальная структура состоит из исходного слоя 2 мкм Al_0,025Ga_0,975N:Si, слоя нижнего покрытия 800 нм Al_0,075Ga_0,925N:Si, нижнего градиентного покрытия 350 нм Al_0,075→0Ga_0,925→1N:Si, переходного слоя 10 нм GaN:Si, нижнего волноводного слоя 50 нм In_0,04Ga_0,96N:Si, 3 x (квантового барьера 5,5 нм GaN, квантовой ямы 3,5 нм In_0,15Ga_0,85N), верхнего защитного слоя 3 нм GaN, верхнего волноводного слоя 65 нм In_0,04Ga_0,96N, переходного слоя 2 нм GaN, электронно-блокирующего слоя 20 нм Al_0,12Ga_0,88N: Mg, слоя верхнего градиентного покрытия 100 нм Al_0→0,05Ga_1→0,95N:Mg, слоя верхнего покрытия 550 нм Al_0,05Ga_0,95N:Mg и суб-контактного слоя 200 нм GaN:Mg. Рассчитанный профиль показателя преломления и распределение поперечных мод показаны на рисунке 1(а).

Устройства были перенастроены для изготовления усилителей длиной 2,5 мм с гребнем шириной 2,5 мкм. Форма перенастроенного волновода показана на рисунке 1(b). Он имеет двойную «j-образную» форму, т.е. волновод изгибается на обоих концах. Преимущества геометрии волновода j-образной формы описаны в различных исследованиях. Форма изогнутого волновода широко используется для изготовления суперлюминесцентных диодов, поскольку позволяет значительно снизить эффективную отражательную способность граней. Точное значение отражательной способности сильно зависит от угла изгиба.              

Рисунок 1. (а) Рассчитанный профиль показателя преломления и распределение поперечных мод и (b) схема вида сверху устройства с геометрией двойного волновода j-образной формы. Желтая полоса обозначает гребневой волновод

В данном исследовании угол изгиба гребня относительно центральной оси чипа составляет 3°. Этот угол соответствует первому минимуму зависимости эффективной отражательной способности грани от угла падения. Угол был выбран исходя из технических аспектов подачи излучения в системе «задающий генератор – усилитель мощности». Для обеспечения достаточной эффективности передачи лазерного излучения в полупроводниковый оптический усилитель с геометрией изогнутого волновода усилитель должен быть наклонен под углом, примерно в два раза превышающим угол изгиба волновода. Слишком большой наклон может вызвать трудности при выборе объектива с подходящей числовой апертурой и фокусным расстоянием для оптической накачки. 

Результаты эксперимента

Измеренная зависимость мощности усилителей от тока показана на рисунке 2(а), а измеренные спектры различных токов возбуждения показаны на рисунке 2(b). Измерения проводились в непрерывном режиме при комнатной температуре, стабилизированной с помощью термоэлектрического охлаждения.

Рисунок 2. (а) Оптическая мощность (каждой грани) и зависимость напряжения от тока исследуемого полупроводникового оптического усилителя и (b) измеренные спектры излучения при различных токах возбуждения

Очевидно, что при токе ниже 400 мА исследуемое устройство имеет экспоненциальную зависимость оптической мощности от тока, характерную для усилителей или суперлюминесцентных диодов. При токе выше 400 мА зависимость становится линейной в результате насыщения усиления. На рисунке 2(b) показано, что линейность характеристики L-I не означает, что устройство генерирует излучение – при токе 500 мА (зеленый, верхний спектр) спектр широкий, без сильной или выраженной ряби. Относительно высокое напряжение является результатом неоптимизированной процедуры крепления кристалла (приложенное давление и время крепления) для таких больших чипов (2,5 x 0,4 мм). Улучшение характеристик I-V ожидается после оптимизации процедуры крепления кристалла.        

Рисунок 3. Интенсивность как функция угла поляризации лазерного диода накачки (черные квадраты) и исследуемого полупроводникового оптического усилителя (красные треугольники)

Прежде чем обсуждать результаты эксперимента, касающиеся усиления, необходимо проанализировать состояние поляризации. Все исследованные устройства были изготовлены на c-плоскости, а зеркала были образованы вдоль m-плоскости. Ожидается, что свет, излучаемый этими устройствами, будет сильно поляризован. На рисунке 3 показано измеренное состояние поляризации света, излучаемого лазерным диодом накачки и полупроводниковым оптическим усилителем. Видно, что оба устройства имеют высокую поляризацию TE (TE : TM ~ 200 : 1). Таким образом, все результаты, описанные в этой статье, касаются усиления поляризованного света. Хотя значение поляризационной чувствительности неизвестно, следует ожидать сильной поляризационной зависимости.

Для исследования свойств усиления полупроводниковых оптических усилителей была разработана система «задающий генератор – усилитель мощности», в которой свет от лазерного диода поступает в полупроводниковый оптический усилитель с помощью объектива NIKON 50x с числовой апертурой 0,45 и рабочим расстоянием 17 мм и собирается / коллимируется плосковыпуклой асферической линзой Newport 40x с числовой апертурой 0,55 и рабочим расстоянием 4,5 мм. Оптическая мощность была измерена с помощью фотодиодных датчиков ThorLabs S121C, подключенных к измерителю мощности ThorLabs PM320E. Оптическая мощность лазерного диода накачки была измерена перед фокусирующим объективом и после фильтров нейтральной плотности и изолятора. Оптическая мощность полупроводникового оптического усилителя была измерена после коллимирующей линзы. Кроме того, спектры лазерного диода накачки, полупроводникового оптического усилителя и полупроводникового оптического усилителя, соединенного с лазерным диодом, были измерены с помощью спектрометра Horiba FHR1000 1 м с решеткой 3600 г/мм и CCD-камерой Syncerity с глубоким охлаждением, 2048x512 пикселей, обеспечивающей спектральное разрешение ниже 10 мкм.

Рисунок 4. (а) Выходная оптическая мощность полупроводникового оптического усилителя и (b) рассчитанные значения чистого усиления в зависимости от входной мощности лазера при различных токах возбуждения полупроводникового оптического усилителя

Выходная оптическая мощность полупроводникового оптического усилителя в зависимости от входной мощности лазера показана на рисунке 4(а), а значения чистого усиления в зависимости от входной мощности лазера показаны на рисунке 4(b). Следует отметить, что значения усиления учитывают переходное затухание (88%). Высокое переходное затухание в основном обусловлено используемой оптикой и небольшой толщиной волноводных слоев (более чем в 10 раз тоньше генерируемого луча). Переходное затухание может быть уменьшено за счет увеличения толщины волноводных слоев и использования более совершенных оптики или волокна. Как показано на рисунке 4(b), коэффициент усиления 29 дБ был получен при слабом сигнале.

На рисунке 5 показано усиление в зависимости от выходной мощности полупроводникового оптического усилителя. При низкой входной мощности лазера выходная оптическая мощность полупроводникового оптического усилителя является линейной по отношению к входной мощности лазера. Однако дальнейшее увеличение входной мощности лазера приводит к сублинейному увеличению выходной оптической мощности полупроводникового оптического усилителя. Это явление, так называемое насыщение усиления, вызвано тем, что скорость инжекции носителя заряда, которая определяется током, подаваемым на полупроводниковый оптический усилитель, ограничивает количество электронно-дырочных пар, которые можно рекомбинировать за единицу времени, и тем самым ограничивает скорость генерируемых фотонов. Другими словами, в непрерывном режиме полупроводниковый оптический усилитель обеспечивает ограниченное количество фотонов / оптической мощности, которое может быть извлечено. Входная мощность лазера, коэффициент усиления которой уменьшается более чем в два раза (3 дБ), демонстрирует предел, при котором полупроводниковый оптический усилитель из-за ограничения количества инжектированных носителей заряда больше не может обеспечивать экспоненциальное увеличение инжектируемого количества фотонов по длине полупроводникового оптического усилителя. Мощность насыщения полупроводникового оптического усилителя может быть увеличена за счет: увеличения поперечного сечения активной области, уменьшения коэффициента удержания, уменьшения срока службы носителя и, наконец, за счет уменьшения дифференциального усиления. Выходная мощность насыщения полупроводникового оптического усилителя P_sat = 116 МВт (20,6 дБм) была получена при токе возбуждения прибора 400 мА. 

Рисунок 5. Чистый коэффициент усиления как функция выходной оптической мощности полупроводникового оптического усилителя, измеренный при различных токах возбуждения

На рисунке 6 показан спектр электролюминесценции лазерного диода накачки (a), спектр полупроводникового оптического усилителя без внешнего лазерного излучения (b) и с входной оптической мощностью  лазера 33 мкВт (c), 550 мкВт (d), 1 МВт (e) и 5,5 МВт (f). 

Рисунок 6. Спектр излучения лазерного диода накачки (a), полупроводникового оптического усилителя при постоянном токе 300 мА без внешнего оптического сигнала (b) и с мощностью инжектируемого лазерного излучения (c–f). Оптическая мощность инжектируемого лазерного излучения отмечена для каждого спектра

Выводы

В данном исследовании были изучены свойства оптического усилителя (Al, In) на основе технологии GaN, работающего в системе «задающий генератор – усилитель мощности». Чтобы получить низкую отражательную способность на гранях и тем самым добиться слабых колебаний Фабри-Перо, на волновод j-образной формы было нанесено просветляющее покрытие. Для дальнейшего снижения отражательной способности можно увеличить угол изгиба в соответствии с последующими минимумами зависимости эффективной отражательной способности грани от угла падения. Однако для успешного соединения источника света с усилителем при больших углах изгиба ротация чипа должна быть увеличена, что может оказаться нежелательным с точки зрения целей использования и из-за проблем с монтажом.

При слабом входном сигнале коэффициент усиления 29 дБ был получен при токе возбуждения 400 мА. Исследованные полупроводниковые оптические усилители имеют 3 квантовые ямы. Выходная мощность насыщения составила 21 дБм. Для дальнейшего увеличения выходной мощности насыщения коэффициент ограничения может быть уменьшен за счет увеличения толщины волноводных слоев. Более того, увеличение толщины волноводных слоев приведет к уменьшению переходного затухания. Однако такой подход может привести к уменьшению дифференциального усиления, поэтому для получения аналогичного оптического усиления необходимо увеличить силу тока. И последнее, но не менее важное: чтобы проверить эффективность изученных оптических усилителей (Al, In) на основе технологии GaN в пластиковом оптическом волокне в системе оптоволоконной сети, необходимо продолжать анализировать динамические характеристики в дальнейших исследованиях.

© Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования Thorlabs на территории РФ