Κατασκευή και μελέτη διόδων laser με μεταβλητό εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο

Abstract

Tunable semiconductor laser diodes are of great technological interest to a variety of fields such as telecommunication and chemical analysis. Contemporary tunable laser diodes offer solutions that cover the necessary tunability range, as well as performance characteristics (such as tuning speed, single mode operation e.t.c.) at the expense of excessive complexity both in fabrication as well as in operation. In this thesis we explore a new concept that may lead to simple yet high performance tunable edge emitting laser diodes. For the first time we investigate the behavior of LD's operating with dynamically created electric fields in the active layer. This offers a series of unique characteristics ranging from reduced operating threshold all the way to ultra fast, broad range tunability utilizing the quantum confined Stark effect. In this class of devices, tunability is obtained by directly varying the gain current of the device. This thesis dealt with three main issues concerning tunable laser diodes. Initially, a thorough investigation of structure design and growth issues was performed leading to high quality semiconductor structure optimized for edge emitting laser diodes device fabrication. Besides a broad range of experimental methods necessary for semiconductor characterization, a set of theoretical tools were also developed to fully optimize these structures. Laser structure on polar as well as non polar orientations were investigated so as to understand and explore the effects of electric fields present in LD's. Subsequently the fabrication of edge emitting laser diodes was investigated and optimization of the process was carried out leading to state of the art devices. Finally, the knowledge gained from the initial parts of this thesis were combined with the novel idea of dynamic electric fields to provide tunable edge emitting laser diodes.Τunable semiconductor LD's were successfully demonstrated based on the concept of dynamic electric fields in the active region of these devices. A record high, low temperature, emission wavelength tuning reaching 20nm tuning at 980nm was demonstrated. For the first time room temperature tunability was achieved and a device exhibiting more than 5nm tuning range was demonstrated using the above mentioned technique. To conclude, the physical mechanism causing temperature degradation of the tuning characteristics was elucidated pointing the way to further improvement of the tuning characteristics of these devices.

Τα λέιζερ με ρυθμιζόμενο μήκος κύματος εκπομπής παρουσιάζουν ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον σε πληθώρα πεδίων όπως οι τηλεπικοινωνίες και η χημική ανάλυση. Τα σύγχρονα ημιαγωγικά λέιζερ ρυθμιζόμενου μήκους κύματος, προσφέρουν λύσεις που καλύπτουν τις απαιτούμενες ανάγκες σε ρύθμιση μήκους κύματος και ταχύτητας μεταβολής του μήκους κύματος αλλά έχουν ιδιαίτερα πολύπλοκη κατασκευή και λειτουργία. Σε αυτή την εργασία ερευνούμε μια νέα μέθοδο που μπορεί να οδηγήσει σε, απλά στην κατασκευή και λειτουργία, ημιαγωγικά λέιζερ με τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά. Για πρώτη φορά μελετούμε την συμπεριφορά διοδικών λέιζερ που ενσωματώνουν μεταβλητά ηλεκτρικά πεδία στην ενεργό περιοχή. Αυτή η κατηγορία λέιζερ εκμεταλλεύεται το φαινόμενο Stark προκειμένου να μεταβάλει το μήκος κύματος εκπομπής μεταβάλλοντας το κυρίως ρεύμα άντλησης της διάταξης. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν ημιαγωγικά λέιζερ σε τρείς βασικούς άξονες. Πρώτα πραγματοποιήθηκε μια διεξοδική μελέτη, τόσο θεωρητική όσο και πειραματική, για την βελτιστοποίηση της ημιαγωγικής δομής που χρησιμοποιείτε για κατασκευή συμβατικών διοδικών λέιζερ. Σαν αποτέλεσμα δομές κατάλληλες για κατασκευή ημιαγωγικών λέιζερ πλευρικής εκπομπής υψηλής ποιότητας κατασκευάστηκαν. Πληθώρα πειραματικών τεχνικών χαρακτηρισμού χρησιμοποιήθηκαν και μια σειρά αλγοριθμικών εργαλείων αναπτύχθηκαν προκειμένου να επιτευχθεί ή ζητούμενη βελτιστοποίηση. Δομές λέιζερ αναπτύχθηκαν σε πιεζοηλεκτρικούς (111)Β καθώς και μη-πιεζοηλεκτρικούς (100) κρυσταλλικούς προσανατολισμούς βασισμένες στο ημιαγωγικό υπόστρωμα Αρσενικούχου Γαλλίου, με σκοπό την μελέτη της επιρροής του ηλεκτρικού πεδίου στην λειτουργία των λέιζερ πλευρικής εκπομπής. Στην συνέχεια, η κατασκευή και επεξεργασία του υλικού για να δημιουργηθούν λέιζερ πλευρικής εκπομπής μελετήθηκε επιτυγχάνοντας μέθοδο κατασκευής με επαναλήψιμα αποτελέσματα και διατάξεις με χαρακτηριστικά εφάμιλλα με τα καλύτερα που έχουν αναφερθεί στην βιβλιογραφία. Η τεχνογνωσία που αποκτήθηκε κατά τα πρώτα μέρη της διατριβής χρησιμοποιήθηκε στην συνέχεια για να κατασκευαστούν λέιζερ βασισμένα στην νέα μέθοδο ρύθμισης του μήκους κύματος. Η μελέτη ολοκληρώθηκε με την ανάπτυξη λογισμικού που προσομοιώνει την συμπεριφορά των ημιαγωγικών δομών που μελετήθηκαν. Συνοψίζοντας, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, επιδείχθηκαν με επιτυχία λέιζερ με ρυθμιζόμενο μήκος κύματος εκπομπής βασισμένα στην νέα μέθοδο που προτάθηκε. Ρύθμιση μέχρι και 20nm για λέιζερ που λειτουργούν στην περιοχή των 980nm επιτεύχθηκε σε χαμηλή θερμοκρασία ενώ για πρώτη φορά επιδείχθηκε ρύθμιση μήκους κύματος σε θερμοκρασία δωματίου η οποία μάλιστα ήταν μεγαλύτερη από 5nm. Συνολικά ο φυσικός μηχανισμός που ευθύνεται για την μείωση της ικανότητας ρύθμισης μήκους κύματος αναγνωρίστηκε φωτίζοντας έτσι το δρόμο για περαιτέρω βελτίωση της συμπεριφοράς των συγκεκριμένων διατάξεων.