Эффекты насыщения усиления в квантово-каскадных лазерах ТГц-диапазона
https://doi.org/10.29235/1561-2430-2022-58-2-237-244
Аннотация
На основе системы балансных уравнений проведен анализ эффекта насыщения усиления в квантово-каскадных структурах с 2–4 квантовыми ямами в периоде. Показано, что параметр нелинейности уменьшается при увеличении скорости релаксации лазерных уровней, но при этом растет полный ток через структуру. Использование предложенных многофотонных дизайнов приводит к уменьшению параметра нелинейности без увеличения рабочего тока. Например, в двухфотонной схеме лазерных переходов при одинаковых вероятностях переходов и коэффициентах дифференциального усиления достигается в 2 раза более медленное насыщение коэффициента усиления с ростом плотности фотонов, что обусловливает более высокую эффективность генерации, чем в однофотонных схемах.
Об авторах
Д. В. Ушаков
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Ушаков Дмитрий Владимирович – кандидат физико-математических наук, доцент, декан факультета радиофизики и компьютерных технологий
пр. Независимости, 4, 220030, Минск
А. А. Афоненко
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Афоненко Александр Анатольевич – доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой квантовой радиофизики и оптоэлектроники
пр. Независимости, 4, 220030, Минск
Р. А. Хабибуллин
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН
Россия
Россия
Хабибуллин Рустам Анварович – кандидат физико-математических наук, ученый секретарь
Нагорный проезд, 7, стр. 5, 117105, Москва
В. К. Кононенко
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Кононенко Валерий Константинович – доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники
пр. Независимости, 4, 220030, Минск
И. С. Манак
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Манак Иван Степанович – кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники
пр. Независимости, 4, 220030, Минск
Список литературы
1. Оптические свойства четырехуровнего квантового генератора / Ю. А. Ананьев [и др.] // Докл. АН СССР. – 1963. – Т. 150, № 3. – С. 507–510.
2. Методы расчета оптических квантовых генераторов / под ред. Б. И. Степанова. – Минск: Наука и техника, 1968. – Т. 1. – 483 с.
3. Schulz-Dubois, E. O. Pulse Sharpening and Gain Saturation in Traveling-Wave Masers / E. O. Schulz-Dubois // Bell Syst. Tech. J. – 1964. – Vol. 43, № 2. – P. 625–658. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb00999.x
4. Rigrod, W. W. Saturation Effects in High Gain Lasers / W. W. Rigrod // J. Appl. Phys. – 1965. – Vol. 36, № 8. – P. 2487–2490. https://doi.org/10.1063/1.1714517
5. Кононенко, В. К. Эффект насыщения в полупроводниковых усилителях света и фильтрах / В. К. Кононенко, В. П. Грибковский // Оптика и спектроскопия. – 1970. – Т. 29, № 5. – С. 975–984.
6. Грибковский, В. П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках / В. П. Грибковский. – Минск: Наука и техника, 1975. – 464 с.
7. Грибковский, В. П. Полупроводниковые лазеры / В. П. Грибковский. – Минск: Университетское, 1988. – 304 с.
8. Кононенко, В. К. О насыщении поглощения в области хвостов плотности состояний / В. К. Кононенко // Журн. приклад. спектроскопии. – 1984. – Т. 41, № 6. – С. 106–110.
9. Gaponenko, S. V. Saturation of absorption in zinc selenide / S. V. Gaponenko, L. G. Zimin, N. K. Nikeenko // J. Appl. Spectrosc. – 1984. – Vol. 40, № 2. – P. 198–201. https://doi.org/10.1007/BF00660261
10. Homogeneous gain saturation in GaAs/AlGaAs quantum well lasers / E. O. Göbel [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 1985. – Vol. 47, № 8. – P. 781–783. https://doi.org/10.1063/1.96036
11. Kononenko, V. K. Nonlinear Absorption in Quantum-Size Heterostructures / V. K. Kononenko // Phys. Status Solidi B. – 1988. – Vol. 150, № 2. – P. 695–698. https://doi.org/10.1002/pssb.2221500256
12. Кононенко, В. К. Насыщение усиления в квантоворазмерных гетероструктурах / В. К. Кононенко, И. С. Манак, Э. Р. Фурунжиев // Журн. приклад. спектроскопии. – 1997. – Т. 64, № 6. – С. 797–800.
13. Tunable absorption and electroluminescence in GaAs doping superlattices / G. Hasnain [et al.] // Superlattices & Microstructures. – 1987. – Vol. 3, № 3. – P. 277–282. https://doi.org/10.1016/0749-6036(87)90072-3
14. Renn, M. Effect of random impurity distribution on the luminescence of n-i-p-i doping superlattices / M. Renn, C. Metzner, G. H. Döhler // Phys. Rev. B. – 1993. – Vol. 48, № 15. – P. 11220–11227. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.11220
15. Disorder effects on luminescence in δ-doped n-i-p-i superlattices / C. Metzner [et al.] // Phys. Rev. B. – 1995. – Vol. 51, № 8. – P. 5106–5115. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.5106
16. Ушаков, Д. В. Нелинейные оптические процессы в легированных полупроводниковых сверхрешетках / Д. В. Ушаков, В. К. Кононенко, И. С. Манак // Журн. приклад. спектроскопии. – 2001. – Т. 68, № 4. – С. 501–505.
17. Ushakov, D. V. Saturation of absorption in n-i-p-i crystals // D. V. Ushakov, V. K. Kononenko, I. S. Manak // SPIE. Proc. – 2001. – Vol. 4358. – P. 171–174. https://doi.org/10.1117/12.418850
18. Кононенко, В. К. Влияние насыщения усиления на выходные мощностные характеристики гетероструктур типа фотонных кристаллов / В. К. Кононенко, А. Г. Смирнов, Д. В. Ушаков // Изв. РАН, Сер. физическая. – 2004. – Т. 68, № 1. – С. 128–131.
19. Фотонные гетероструктуры на полупроводниковых легированных сверхрешетках / В. К. Кононенко [и др.] // Вестн. ФФИ. – 2005. – Т. 34, № 4. – С. 54–75.
20. Ushakov, D. V. Nonlinearities in the reflection and transmission spectra of the photonic bandgap heterostructures with n-i-p-i crystals / D. V. Ushakov, V. K. Kononenko, M. Marciniak // Opt. Quant. Electron. – 2007. – Vol. 39, № 4–6. – P. 431–439. https://doi.org/10.1007/s11082-007-9083-7
21. Chanin, D. J. Effect of gain saturation on injection laser switching / D. J. Chanin // J. Appl. Phys. – 1979. – Vol. 50, № 6. – P. 3858–3860. https://doi.org/10.1063/1.326510
22. Schatz, R. Dynamics of Spatial Hole Burning Effects in DFB Lasers / R. Schatz // IEEE J. Quant. Electron. – 1995. – Vol. 31, № 11. – P. 1981–1993. https://doi.org/10.1109/3.469279
23. Huang, J. Gain and saturation in semiconductor lasers / J. Huang, L. W. Casperson // Opt. Quant. Electron. – 1993. – Vol. 25, № 6. – P. 369–390. https://doi.org/10.1007/BF00420579
24. Agrawal, G. P. Gain nonlinearities in semiconductor lasers: Theory and application to distributed feedback lasers / G. P. Agrawal // IEEE J. Quant. Electron. – 1987. – Vol. 23, № 6. – P. 860–868. https://doi.org/10.1109/jqe.1987.1073406
25. Agrawal, G. P. Spectral hole burning and gain saturation in semiconductor lasers: Strong signal theory / G. P. Agrawal // J. Appl. Phys. – 1988. – Vol. 63, № 4. – P. 1232–1235. https://doi.org/10.1063/1.339990
26. Quantum cascade lasers with double metal-semiconductor waveguide resonators / K. Unterrainer [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol. 80, № 17. – P. 3060–3062. https://doi.org/10.1063/1.1469657
27. Terahertz quantum cascade lasers operating up to 200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling / S. Fathololoumi [et al.] // Opt. Express. – 2012. – Vol. 20, № 4. – P. 3866–3876. https://doi.org/10.1364/OE.20.003866
28. Kumar, S. 186 K operation of terahertz quantum-cascade lasers based on a diagonal design / S. Kumar, Q. Hu, J. L. Reno // Appl. Phys. Lett. – 2009. – Vol. 94, № 13. – P. 131105. https://doi.org/10.1063/1.3114418
29. Thermoelectrically cooled THz quantum cascade laser operating up to 210 K / L. Bosco [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2019. – Vol. 115, № 1. – P. 010601. https://doi.org/10.1063/1.5110305
30. Ушаков, Д. В. Двухпериодная модель расчета населенностей уровней подзон многопериодных квантово-каскадных сверхрешеточных структур / Д. В. Ушаков, И. С. Манак // Журн. приклад. спектроскопии. – 2007. – Т. 74, № 6. – С. 801–804.
31. Моделирование квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона частот методом балансных уравнений на основе базиса волновых функций со сниженными дипольными моментами туннельно-связанных состояний / Д. В. Ушаков [и др.] // Квантовая электроника. – 2019. – Т. 49, № 10. – С. 913–918.
32. HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation method / D. Ushakov [et al.] // Opti. Express. – 2020. – Vol. 28, № 17. – P. 25371–25382. https://doi.org/10.1364/OE.398552
Рецензия
Просмотров: 644
Послать статью по эл. почте 