Оптика фемтосекундных лазерных импульсов - Ахманов С.А.
ISBN 5-02-013838-Х
Скачать (прямая ссылка):
.154 Отражатель в виде двух рядов сдвинутых на полпериода относительно друг друга идентичных дифракционных решеток, отражающие элементы которых представляют собой пазы с зеркальными стенками, сформированными в пассивном волноводе химическим травлением, описан в [172]. Лазер с резонатором, образованным таким отражателем и плоским зеркалом, имел угловую расходимость излучения порядка 1°. Одночастотный режим генерации сохранялся до двукратного превышения порога, который всего на 10% был больше порога генерации аналогичного лазера с плоским резонатором.
Оптическая связь между лазером и другими функциональными элементами ОИС может осуществляться несколькими способами (см. рис- 5.12) [170]. Дифракционная связь лазеров, плоские зеркала которых образованы стенками паза и «колодца», с волноводом достаточна эффективна, если ширина зазора не превышает нескольких микрометров. Использование связи через общий волновод предполагает идентичность структур волноводов. Этот тип связи пригоден лишь для соединения с элементами, функционирующими при изменении пропускания волновода из-за инжекции носителей или поглощения излучения. Варианты связанных волноводов и связи через суживающийся край эффективны для передачи энергии излучения между волноводами, образованными различными полупроводниковыми соединениями. Оба эти варианта позволяют передавать излучение из активного слоя в волновод с малыми потерями и пригодны для лазеров как с распределенными, так и с плоскими отражателями- Соединение встык получается при заращивании подложки, на которой изготовлен лазер или фотоприемник, прозрачным для излучения полупроводниковым соединением.
Рекордно низкими пороговыми токами обладают квантовораз-мерные GaAlAs/GaAs-лазеры на двойной гетероструктуре, имеющие плоский резонатор. Достигнут пороговый ток около 1 мА при длине резонатора 250 мкм, ширине активной области 1 мкм и коэффициенте отражения обоих торцов 70%. При этом внешняя дифференциальная эффективность лазера составляет 0,45 мВт/мА. Используя лазер с резонатором длиной 100 мкм и коэффициентом отражения 80% был достигнут пороговый ток 0,55 мА [180]. Очень интересные возможности открывают лазерные диоды с излучающей поверхностью, т. е. лазерные аналоги поверхностных СИД. В такой лазерной РБЗ-структуре получена рекордно малая расходимость излучения, составляющая доли градуса.
6.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОДЕТЕКТОРЫ
Для детектирования оптических сигналов, передаваемых в волоконных системах связи, обычно применяются полупроводниковые p—i—л-диоды и лавинные фотодиоды (ЛФД)Г обеспечивающие максимально высокую скорость приема сигналов и высокую чувствительность в рабочем диапазоне длин волн.
.155 Поглощенные в обедненном і'-слое р—і—га-диода N фотонов рождают qN электронно-дырочных пар, где q — квантовая эффективность детектора, определяемая коэффициентами отражения и поглощения материала R и а(Х) соответственно, а также толщиной контактного р-слоя и і-слоя В ЛФД те же N фотонов создадут в конечном итоге MqN пар благодаря процессу лавинного увеличения фототока под действием приложенного сильного электрического поля, обеспечивающего ударную ионизацию атомов материала образующимися носителями. Коэффициент умножения M= [1—(U/Uпр)а]-1 определяется приложенным к диоду обратным напряжением U, напряжением пробоя Unp и коэффициентом а<1. Отметим, что Unp и а линейно зависят от температуры.
Длина волны излучения довольно четко разграничивает материалы применяемых фотодетекторов: в диапазоне 0,85...0,9 мкм наилучшими характеристиками (квантовая эффективность, быстродействие, уровень шумов) обладают кремниевые приемники. В диапазонах длин волн 1,3 и 1,55 мкм, соответствующих нулевой материальной дисперсии и минимуму потерь в ВС из плавленого кварца, используются детекторы на основе соединений A111Bv—¦ IrbGai-xAsyPi-y, InxGai-sAs и германия.
Если энергия кванта поглощенного света больше ширины запрещенной зоны материала, то чувствительность фотодетектора S определяется квантовой эффективностью q. Для р—і—га-диода S=0,8 qk, а для ЛФД SЛФд = 0,8MqX (длина волны X измеряется в мкм, a S — в А/Вт) [173]. Порог чувствительности детектора определяется как мощность излучения, при которой фототок равен шумовому току. Последний определяется главным образом дробовыми шумами усредненных светового и темнового токов (iф и 1Т). Для р—і—га-диода пороговый фототок Р=2е(1ф+1Т)В, а для ЛФД i2 = 2e(l^+lT)M2F(M)B, где в — заряд электрона; В — полоса' частот сигнала; F(M)=Mh — коэффициент избыточного шума; величина fe = a/?— отношение скоростей ионизации электронов <а) и дырок (?). Главным образом значение k определяется материалом детектора и отчасти структурой ЛФД. Для InGaAs/InP-ЛФД обычно 6 = 0,3...0,5, а для Ge-ЛФД Дг = 0,5 ... 1 (для Si-ЛФД k^.0,1). Соответственно коэффициент избыточного шума F(M) = = 5 (InGaAs) и 8 (Ge) при М=10.
Характерные значения темнового тока ЛФД и р—і—га-диодов на основе InGaAs/InP составляют 1 ... 10 нА. Однако в [174] было показано, что при использовании бездислокационных эпитакси-альных слоев с точно контролируемыми уровнями легирования и толщинами, а главное при идеальном согласовании постоянных решеток слоя In0,53Ga0,47As и окружающих слоев InP в р—і—га-диоде на основе InGaAs/InP достижим темновой ток 4 пА (плотность тока 3,7-10~8 А/см2) при напряжении смещения 5 В.
