Эффекты насыщения усиления в квантово-каскадных лазерах ТГц-диапазона
https://doi.org/10.29235/1561-2430-2022-58-2-237-244
Анатацыя
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.
Аб аўтарах
Д. Ушаков
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
А. Афоненко
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Р. Хабибуллин
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН
Расія
Расія
В. Кононенко
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
И. Манак
Белорусский государственный университет
Беларусь
Беларусь
Спіс літаратуры
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
##reviewer.review.form##
Праглядаў: 649
Паслаць артыкул па эл. пошце 