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.