научная статья по теме АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ И УПРУГООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА КВАНТОВОЙ ЯМЕ Физика

Текст научной статьи на тему «АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ И УПРУГООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА КВАНТОВОЙ ЯМЕ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 10, с. 1476-1482

УДК 534,535

АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ И УПРУГООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА КВАНТОВОЙ ЯМЕ © 2015 г. Л. А. Кулакова, Н. С. Аверкиев, А. В. Лютецкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН", Санкт-Петербург E-mail L.Kulakova@mail.iojfe.ru

Выполнен экспериментальный и теоретический анализ влияния комплекса переменных упругих деформаций на поляризационные свойства излучения напряженных лазерных гетероструктур. Экспериментально исследовано изменение интенсивности и направления поляризации излучения InGaAsP/InP и GaInAs/GaAs лазерных гетероструктур под влиянием ультразвуковых деформаций, возбуждаемых объемными и поверхностными волнами. Проведено сравнение акустоэлектронного и упругооптического механизмов деформационного воздействия на изменение поляризационных свойств излучения наноразмерных гетероструктур.

DOI: 10.7868/S0367676515100178

ВВЕДЕНИЕ

Явления, обусловленные модуляцией энергии и волновых функций электронных состояний полупроводниковых наноструктур внешними переменными деформациями, в настоящее время вызывают огромный интерес, поскольку делают возможным прямое детектирование сопровождающих такую модуляцию спектроскопических эффектов [1—11]. Исследования воздействия переменной деформации на подобные структуры с целью изучения изменения и управления частотным спектром излучения проводили в различных диапазонах частот переменной деформации от ультразвукового [1, 2, 4—6, 9—11] до гиперзвукового [3, 7, 8]. Ранее нами впервые были начаты исследования воздействия ультразвуковой деформации на спектральные характеристики генерируемого излучения гетеролазе-ров ЫОаАзР/ЫР [1, 2, 4—6] при комнатной температуре. Такие эксперименты привлекают как своей относительной простотой, так и возможностью реализации одноосной деформации в квантовой яме активной (лазерной) гетеро-структуры при различных ориентациях относительно оси квантования. При этом ультразвуковые исследования позволяют наблюдать процессы в реальном масштабе времени.

Экспериментально и теоретически показано, что частотная модуляция излучения возникает вследствие согласованности акустоэлектронного (АЭ) и упругооптического (УО) взаимодействий [1, 2, 4, 5]. УО-взаимодействие приводит также к модуляции направления распространения излучения [6].

В данной работе приведен общий анализ полученных нами последних [9—11] и новых результа-

тов при исследовании АЭ- и УО-взаимодействий в изменение поляризационных параметров излучения наноразмерных лазерных гетероструктур в присутствии ультразвуковой деформации.

Известно, что в большинстве кубических полупроводников сильное спин-орбитальное взаимодействие формирует валентную зону и обусловливает наличие уровней в квантовой яме, различающихся проекцией полного момента дырки на ось квантования [10] (рис. 1а). Упругие механические напряжения изменяют величины квантово-раз-мерных расщеплений, смешивают состояния тяжелых и легких дырок, и в результате изменяются как частотные, так и поляризационные характеристики излучения (рис. 1б). Введение переменной деформации может приводить к дополнительному расщеплению уровней легких и тяжелых дырок и соответствующему изменению поляризационных характеристик излучения с периодичностью ультразвуковой деформации. Изучение эффекта не только интересно с фундаментальной точки зрения, но и открывает новые возможности его использования в устройствах обработки информации.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объекта исследований использовали 1пОаАзР/1пР и Оа1пЛ5/ОаА5 лазерные гетеро-структуры на квантовых ямах, работающие при комнатных температурах в импульсном режиме с длительностью до 3 мкс на длине волны излучения 1.48 и 1.06 мкм, соответственно. Рабочие токи изменяли в интервале от порогового до двух-, трехкратного их значения. Схема энергетических уровней в квантовой яме активного слоя гетеро-

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки. 1 — металлическая подложка, 2 — лазерная гетеро-структура, 3, 4 — фокусирующие системы, 5 — поляризационный анализатор (призма Глана), 6 — фотодиод, 7 — усилитель, 8 — осциллограф, 9 — СВЧ-гене-ратор, 10 — резонансный пьезопреобразователь.

Electron

Hole ±3/2

±1/2

Ez

>AEo

* а ■ т 9

г-!-. 10

7 46K-Q 4 . п_1 1 """

5 Вб

ez> ey

3/2, -1/2 -3/2, 1/2

ez

Уае

а

op

в

Рис. 1. Энергетическая схема состояний в квантовой яме активного слоя гетероструктуры: ненапряженная квантовая яма (а), квантовая яма в присутствии механических напряжений (б). Геометрия эксперимента (в): лазерное излучение распространяется вдоль оси Х; У — ось квантования.

структуры и геометрия эксперимента приведена на рис. 1.

Для проведения исследований была разработана экспериментальная установка, блок-схема которой приведена на рис. 2. Переменная упругая

деформация создавалась введением объемных и поверхностных ультразвуковых волн в диапазоне частот F = 5-20 МГц с помощью резонансных пластинок пьезокерамики и встречно-штыревых преобразователей (рис. 3) соответственно. Интенсивность звука до 300 Вт/см2, при амплитуде деформации до 1.1 • 10-4. При этом (как и прежде) все эксперименты проводили в геометрии лазерного резонатора, бесконечно узкого по сравнению с длиной Лs звуковой волны: a < Лs. Такая геометрия позволяет осуществить режим практически постоянного пространственного распределения упругой деформации в каждый данный момент времени. Это значит, что деформационное воздействие изменяется во времени с периодичностью звуковой волны: S = S0 sin Q.t. Для регистрации генерируемого излучения предварительно коллими-рованный пучок проходил через поляризационный анализатор (призму Глана), фокусировался и детектировался скоростными фотодиодами (время нарастания фототока не более 5 нс). Электрический сигнал с фотодиода направляли на широкополосный усилитель, затем визуализировали на осциллографе (фирмы Тектроникс, полоса 200 МГц). Контроль спектрального распределения интенсивности излучения осуществляли с помощью прецизионного эталона Фабри—Перо.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В InGaAsP/InP-ЛАЗЕРАХ

Объемные волны

Форма излучения в равновесном состоянии близка к прямоугольной (рис. 4а, кривая 1). Зависимость интенсивности излучения от угла а(а — угол отклонения направления выходной поляризации анализатора от направления поляризации максимальной интенсивности лазерного излучения) хорошо описывается зависимостью I= = A=(1 + cos 2 а). Этот факт свидетельству-

Лазерное ПАВ излучение

шг

Рис. 3. Схема возбуждения поверхностных акустических волн.

ет в пользу того, что исследуемыи нами лазер дает линейную поляризацию в широких пределах изменения рабочих токов. Введение звука (¥ = = 20 МГц) приводит к появлению переменной составляющей, имеющей периодичность звуковой волны (рис. 4а, кривая 2), причем наблюдается четкая смена фазы модуляции на противоположную при повороте анализатора на угол а = 900 относительно направления максимальной интенсивности (рис. 4б, кривые 1, 2). Угловая зависимость амплитуды переменного сигнала хорошо аппроксимируется выражением

I~ = A~(1 + cos 2а) + B~ sin 2а. Выражение для суммарной интенсивности I

I = I= + L =

B~

= (A= + A~) I 1 + cos 2a +

A_ + A~

-sin 2a

(1)

(2)

описывает угловую зависимость интенсивности излучения с линейной поляризацией, повернутой на угол ф относительно а = 0 :

sin29a

B~

A_ + A~

(3)

Из (2) следует, что введение переменной деформации приводит к двум основным эффектам:

1) модуляция интенсивности излучения с глубиной модуляции A~/ A= ~ 10-2;

2) поворот вектора поляризации на угол фде = = ф°ae sin Q t с амплитудой

0 B~

Фа

0.6 град.

(4)

Tek _П_

Trig'd M Pos: -164.0 ns

T

■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ill ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■

CH1 20.0 V CH2 100 mV M 50.0 ns CH1_T

23.03.2010 16:13 47.2077 Hz

Tek

JL

Trig'd

M Pos: -152.0 ns

л А. Л, л Л л л л 1

g -i um'I I I I \/ W V А /Ч М

V i '

: 2

CH1 20.0 V CH2 100 mV M 50.0 ns CH1J"

06.04.2010 09:36 127.160 Hz

Рис. 4. Осциллограммы: верхний и нижний лучи — импульсы рабочего тока и интенсивности излучения соответственно; а — (1) равновесное излучение, (2) в присутствии звука; б — в присутствии звука: (1) а = = 85 град, (2) а = 95 град.

присутствии деформации. В приближении малых деформаций она выглядит следующим образом:

I = I0 (1 + cos 2a + B sin 2a),

Ml +

4b 2r 5(t)л зТЗДЕ2

, r = 2 (Sxx Szz);

2(А= + А.)

Оба эффекта имеют периодичность переменной деформации.

В рамках детального расчета излучательных переходов была получена соответствующая зависимость интенсивности излучения от угла (а) в

B

S(t) = (Syy - Sxx) + (Syy - szz),

4dS.

- + ^ . 2Л + 2Ф„.

43ae ТЗае

(5)

(6)

(7)

где N — коэффициент, пропорциональный матричному элементу оператора импульса, вычисленного для переходов из зоны проводимости в

а

2

2

валентную зону, АЕ — энергия расщепления, Ь, й — константы деформационного потенциала. Из сравнения эксперимента с теорией (используя

-5

данные | дуг| = 3 • 10 , й = 4вУ, | = 10 Ь = 3вУ) получены: 1) значение энергии расщепления дырочных состояний в квантовой яме АЕ « 15 мэВ; 2) величина асимметрии внутренних технологических деформаций в плоскости квантовой ямы г ~ 3 • 10-3. Наличие асимметрии внутренних технологических деформаций в плоскости квантовой ямы, определяемой параметром г, существенно, так как отвечает за величину глубины модуляции интенсивности, наблюдаемую в эксперименте.

Поверхностные акустические волны (ПАВ)

Введение поверхностных волн (Е = 10 МГц) приводит к эффектам, качественно таким же, как и в случае объемных волн. Однако количественно они различаются. Глубина модуляции интенсив-

ности существенно меньше: (А /А=)ехр ~ 7 • 10 3, а амплитуда угла поворота вектора поляризации

о В~

■ 7 ■ 10-

почти вдвое больше: фа

1.15 град.

2 (А= + А~)

Используя полученные выше данные о величине АЕ и выражение (7) для ф°в, получаем значение амплитуды сдвиговой деформации, возбуждаемой ПАВ: « 6 • 10-5, которое

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»