2 Cercetare LASERELE DE LUMINĂ ALBASTRĂ - ELEMENTE CHEIE PENTRU NOILE SISTEME BD Vasle Z.TRONCIU CATEDRA DE FIZICĂ, UNIVERSITATEA TEHNICĂ A MOLDOVEI troncu@mal.utm.md ADNOTARE Prezenta lucrare este destnată studulu dnamc laserelor InGaN cu absorbant de saturaţe. Au fost dentfcate natura bfurcaţlor ce apar în dnamca laserulu, precum ş condţle ce sunt necesare pentru aparţa autopulsaţlor. S-a studat nfluenţa parametrlor laserulu asupra regunlor de autopulsaţ ş s-au determnat domenle autopulsaţlor cu frecvenţe mar. S-au estmat parametr laserelor în vederea realzăr ş utlzăr lor în sstemele BD. Cuvnte chee: lasere InGaN, autopulsaţ, BD, CD.DVD INTRODUCERE Dezvoltarea extensva dn ultm an a sstemelor de comuncaţ, stocare ş dstrbure a nformaţe a mărt nteresul pentru dspoztve ş surse no de lumnă. Recent o atenţe deosebtă s-a acordat laserelor de lumnă voletă ş albastră de tpul InGaN. Interesul pentru asemenea lasere se datorează aplcăr lor la stocarea ş procesarea nformaţe în sstemele BD (blu-ray dsc) []. Sstemul BD reprezntă un succesor al sstemelor CD, ş DVD care fac posbl, datortă utlzăr laserulu albastru cu lungme de undă 405 nm, înscrerea ma densă a datelor pe dsc. În partcular, dodele laser de lumnă volet-albastră ce funcţonează pe lungmea de undă de 405 nm sunt necesare pentru rdcarea capactăţ de stocare a unu dsc până la 25 GB (Fgura ). Laserele ş dodele de lumnă albastră sunt de asemenea foloste la mprmante ş montoare color, în medcnă, în bologe, etc [2]. Fgura. Dependenţa capactăţ de stocare a dsculu de lungmea de undă a laserulu. În ultmul decenu au fost propuse ş dezvoltate numeroase metode de producere a laserelor albastre ce funcţonează în regm de unde contnue []-[7]. Recent realzarea laserulu dodă volet a fost îmbunătăţtă astfel încât tmpul funcţonăr lu a atns 5000 ore.
Cercetare Laserul de unde contnue ce funcţonează pe lungmea de undă λ = 400 nm deja este dsponbl comercal [8]. Ş totuş, de la momentul când a fost publcată prma nvestgaţe a acestu fenomen de către Nakamura [9], nu s-a ma raportat despre fenomenul de autopulsaţ în laserul de lumnă volet -albastru. Evdent apare întrebarea care- motvul pentru cercetărle acestu fenomen? Anteror s-a demonstrat că funcţonarea unu laser în regm de autopulsaţ rdcă semnfcatv performanţa lu ş fenomenul autopulsaţlor este consderat efcent pentru reducerea zgomotulu în cazul întoarcer semnalulu reflectat de un obstacol (o oglndă, un dsc, o conectare a fbrelor optce etc) [0],[]. Menţonăm că acest fenomen este foarte mportant în cazul ctr nformaţe de pe dsc în vederea reducer erorlor. Recent, no am comuncat despre propretăţle autopulsaţlor ş exctabltate pentru laserul InGaN cu dferte structur ale absorbantulu saturabl [2] [5]. Prezenta lucrare este o contnuare ş completare a lucrărlor precedente. În paragraful 2 vom prezenta structura laserulu cercetat, modelul ş ecuaţle ce descru evoluţa fotonlor ş purtătorlor de sarcnă njectaţ. Rezultatele smulărlor numerce ce confrmă exstenţa autopulsaţlor în laserul InGaN ş nfluenţa dferţlor parametr asupra frecvenţe autopulsaţlor sunt arătate în paragraful. La sfârştul lucrăr sunt expuse concluzle. 2. LASER CU ABSORBANT DE SATURAŢIE Modelul analtc al laserulu cu autopulsaţ este prezentat în Fgura 2. Studul teoretc are la bază o structură recent fabrcată [6],[2]. Acest laser constă dn stratul actv - 6 grop cuantce InGaN, ş stratul absorbantulu de saturaţe - o sngură groapă cuantcă InGaN de tpul p. Menţonăm că grosmea nţală a absorbantulu de saturaţe este de nm. Celalţ parametr folosţ în calculul numerc sunt enumeraţ în Tabelul. SO 2 p Al 0. Ga 0.9 N p -GaN p-ingan p Al 0. Ga 0.7 N InGaN n -GaN n Al 0. Ga 0.9 N n -InGaN n -GaN p -electrode 4 2 4 W n -electrode Fgura 2. Schema laserulu InGaN de lumnă volet-albastră cu absorbant de saturaţe [6],[2]. absorbant de saturaţe regunea actvă L Tabelul Parametr laserulu Regunea actvă Smbolul Valoarea a actv.85 x 0-2 m s - N g.4 x 0 25 m τ a 2ns d a 8nm W a 2µm Absorbantul de saturaţe a SA x 0-2 m s - N g 2.6 x 0 25 m 0. ns d SA nm W SA 2.0 µm Alţ parametr λ 95 nm R f 0.2 R b 0.9 κ 5 cm - Modelul teoretc folost în această lucrare se bazează pe modelul propus de către Yamada [7],[8] ajustat cazulu laserulu InGaN de lumnă albastră. Ecuaţle care descru funcţonarea laserulu în dependenţă de parametr lu sunt FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol., nr. -4, 2005
4 Cercetare aξ( N Ng) M aξn ds = BS G th S +, dt V V dn aξ N N j N I j Ij = ( N Ng) S + ( + ), (2) dt V T T T e s j j j unde S este numărul fotonlor, N - numărul purtătorlor de sarcnă njectaţ în regunea, a - coefcentul amplfcăr dferenţale, x - factorul de lmtare a câmpulu, N g - numărul purtătorlor de sarcnă transferaţ prn regunea, τ S - tmpul de vaţă al purtătorlor de sarcnă ş Tj - durata de tmp echvalentă cu tmpul de vaţă al purtătorlor de sarcnă la dfuza lor dn regunea j în regunea. I j este ntenstatea purtătorlor de sarcnă njectaţ dn regunea j în regunea. M este echvalentul numărulu total de modur longtudnale, V - volumul secţunlor laserulu determnat de expresa V = W Чd Ч L, unde L este lungmea laserulu, ar d ş W sunt respectv grosmea ş lăţmea acestor secţun. B este coefcentul de amplfcare la saturaţe 2 2 2 9πτ c Rcv ( N N0) aξ n B =, () 2 2 2ε0nr hλ0 V unde n r este ndcele de refracţe, l 0 - lungmea unde centrale a radaţe laser, R cv este momentul dpolulu ş τ n fnd tmpul de relaxare a purtătorlor de sarcnă în tranzţle dntre zone. Nvelul pragulu de amplfcare este determnat de expresa c Gth = k + ln, (4) n r 2L RfR b unde R f ş R b sunt coefcenţ de reflexe de la faţetele anteroară ş posteroară, ar k este coefcentul de absorbţe a materalulu dn care este confecţonat laserul. Regunea actvă a laserulu este separată în părţle centrale ş exteroare astfel cum este ndcat în Fgura 2. La calculele numerce s-au luat în consderare cele 4 regun funcţonale: - regunea centrală actvă, 2- regunea centrală de saturaţe ş regunle exteroare ş 4. Celelalte regun au fost luate în consderare la calcularea ndcelu de refracţe efectv, confguraţe apropate a câmpulu ş a factorulu de lmtare. Regunea 5 reprezntă un strat exteror care este conectat electrc la sursa exteroară de curent. Ma multe detal despre procedeul de calcul le puteţ ct în [8],[2].. REZULTATE ŞI DISCUŢII Laserul produce autopulsaţ dacă pentru un curent exteror constant emsa lu reprezntă un tren perodc de mpulsur (Fgura ). Atât rezultatele expermentale cât ş calculele numerce demonstrează prezenţa autopulsaţlor în lasere de tpul InGaN cu absorbant de saturaţe. În cazul laserulu cu lungmea rezonatorulu de 650µm autopulsaţle au fost obţnute expermental pentru valor ale curentulu njectat cuprnse între 6 ş 220 ma cu frecvenţe în domenul de la,6 până la 2,25 GHz [6]. În Fgura (a) este prezentată traectora obţnută expermental cu un oscloscop. Traectora calculată numerc a mpulsulu în cazul unu laser cu lungmea rezonatorulu de 650µm ş un curent njectat cu ntenstatea ()
Cercetare 5 de 85 ma este arătată în Fgura (b). După cum rezultă dn Fgura rezultatele expermentale sunt în deplnă concordanţă cu calculele numerce ş modelul propus descre adecvat dnamca laserelor InGaN cu absorbant de saturaţe. Pornnd de la aceasta concluze în contnuare vom cerceta nfluenţa parametrlor laserulu ş compozţa straturlor lu asupra regun autopulsaţlor ş frecvenţe lor. Fgura. Traectora semnalulu de eşre a unu laser cu lungmea rezonatorulu de 650µm almentat cu un curent de njecţe de 85mA (a) măsurată expermental [6] ş (b) calculată numerc utlzînd parametr dn Tabelul. Vom începe analza dnamc laserulu în termen dagramelor bfurcaţonale. În Fgura 4 este arătată dependenţa numărulu maxm de foton în funcţe de ntenstatea curentulu njectat, cea dn urmă consttue parametrul de bfurcaţe care varază. La creşterea de la 0 a ntenstăţ curentulu njectat, îndată după valoarea sa de prag se observă funcţonarea laserulu în regm de unde contnue (lna contnuă subţre). După aceasta laserul începe să producă autopulsaţ la trecerea prn bfurcaţa Hopf, marcată în Fgura 4 prntr-un cerculeţ. Această caracterstcă este complet dfertă de cea pentru alte lasere (GaAs) cu autopulsaţ descrse pe larg anteror în [8], [9] ş [20], unde autopulsaţle încep îndată de la valoarea de prag a ntenstăţ curentulu. În cazul dat la creşterea curentulu njectat după trecerea prn bfurcaţa Hopf ampltudnea osclaţlor creşte. Vârful ampltudn de pulsaţe atnge valoarea maxmă ş autopulsaţle dspar la punctul Hopf superor. Ambele puncte Hopf sunt supercrtce. Menţonăm că dagrama dn Fgura 4 este dfertă de cea pentru laserele GaAs [8],[9],[20] datortă valor mc a tmpulu de vaţă dn regunea absorbantulu de saturaţe. Această mcşorare se presupune a f cauzată de efectele pezoelectrc ş tunel în structura cu grop cuantce separate [2],[22],[6]. numãrul fotonlor 7 6 5 4 2 0. ( 0 5 ) soluţ staţonare stable soluţ staţonare nstable soluţ perodce 00 50 200 250 ntenstatea curentulu njectat [ma] Fgure 4. Dagrama bfurcaţlor pentru o lungme a rezonatorulu de 500µm. Lna subţre contnuă ndcă regmul de funcţonare cu unde contnue, în tmp ce lna cu puncte reprezntă ramura soluţlor nstable. Lna contnuă ma groasă arată valorle maxme ale soluţe perodce stable (cclul lmtă). Cerculeţele ndcă punctele de bfurcaţe Hopf. FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol., nr. -4, 2005
6 Cercetare După cum s-a menţonat în lucrărle anteroare [2]-[5] propretăţle absorbantulu de saturaţe determnă aparţa autopulsaţlor ş în cele dn urmă frecvenţa lor. În Fgura 5 sunt lustrate regunle de autopulsaţ în dependenţa lungm rezonatorulu laserulu de a) coefcentul amplfcăr dferenţale a SA ş b) tmpul de vata a purtătorlor de sarcnă în absorbant. Aceste regun au fost obţnute folosnd ecuaţle () (4) pentru parametr laserulu InGaN (vez Tabelul ) ş ntenstatea curentulu fxată la 50 ma. Regunle întunecate sunt cele cu autopulsaţ, ar regunea albă corespunde funcţonăr cu unde contnue sau fără emse. Observăm ca n domenul lungmlor rezonatorulu de la 400 până la 500 µm regunle de autopulsaţ se lărgesc. Lungmle mc ale rezonatorulu mplcă frecvenţe mar ale autopulsaţlor totuş aceste regun sunt înguste ş au nvelur mar ale absorbţe ş curenţ de prag mar. Astfel domenul lungmlor rezonatorulu 400-500µm sunt cele ma favorable pentru generarea autopulsaţlor cu frecvente cuprnse ntre 2 ş GHz. lungmea laserulu [µm] 600 500 400 00 200.0 2.5 2.0 freecventa [GHz] a) 2 4 5 a SA [m s - ] b) 0 2 [ns] Fgura 5 Varaţa frecvenţe autopulsaţlor în planul: lungmea rezonatorulu în funcţe de a) coefcentul amplfcăr dferenţale în absorbant a SA ş b) tmpul de vata a purtătorlor de sarcnăτ SA în absorbant. Intenstatea curentulu este de 50mA. Celalţ parametr sunt precum n Tabela. În contnuare ne vom opr ma detalat la nfluenţa tmpulu de vaţă al purtătorlor de sarcnă în absorbant asupra caracterstclor autopulsaţlor. In Fgura 6 este arătată dependenţa numărulu fotonlor de ntenstatea curentulu njectat pentru dferte valor ale tmpulu de vaţă al purtătorlor de sarcnă în absorbant. Stărle staţonare nstable sunt trasate prn ln punctate. După cum observăm dn fgură varaţa tmpulu nu nfluenţează tare valoarea curentulu de prag. Totuş pentru o valoare fxă a curentulu njectat se observă o dependenţă mare a numărulu fotonlor de valoarea lu. Se poate trage concluza despre următoarele partculartăţ: pentru valor mc ale lu numărul fotonlor este mc dar regunea autopulsaţlor largă; creşterea lu rezultă în creşterea numărulu fotonlor ş în îngustarea regun autopulsaţlor; în cele dn urmă creşterea ulteroară a lu duce la dsparţa autopulsaţlor ş la aparţa fenomenulu de hstereză. Cel dn urmă a fost studat în detal în [4]. Vom analza varaţa frecvenţe autopulsaţlor în planul: tmpul de vaţă al purtătorlor.0 2.5 2.0 freecventa [GHz]
Cercetare 7 de sarcnă vs ntenstatea curentulu njectat. În Fgura 7 este arătat un exemplu al aceste dependenţe pentru un laser cu lungmea rezonatorulu de 500µm. Această fgură ma demonstrează încă o dată că pentru obţnerea autopulsaţlor cu frecvenţe înalte este necesară reducerea tmpulu de vaţă al purtătorlor în absorbantul de saturaţe. 4 (x05 ) =ns =0.5ns numarul fotonlor 2 =ns =0.ns star statonare stable star statonare nstable 0 50 00 50 200 ntenstatea curentulu njectat [ma] Fgura 6 Dependenta numărulu fotonlor de ntenstatea curentulu njectat pentru dferte valor ale tmpulu de vaţă al purtătorlor de sarcnă. Stărle staţonare nstable sunt redate prn lne punctată ar cele stable prn ln contnu. După cum se vede dn fgură menţnerea valorlor mar ale tmpulu de vaţă al purtătorlor de sarcnă în absorbant rezultă în mcşorarea ntenstăţ curentulu njectat pentru realzarea autopulsaţlor. Pe de altă parte această mcşorare duce la scăderea frecvenţe autopulsaţlor ş reducerea performanţelor laserulu. In concluze menţonăm că mcşorarea tmpulu de vaţă al purtătorlor de sarcnă în absorbant rezultă în generarea autopulsaţlor cu frecvenţe mar. Recent în [] au fost prezentate dferte structur ale laserelor în vederea obţner duratelor mc de vaţă ale purtătorlor de sarcnă în absorbant. [ns].0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0.0 2.0.0 frecventa [GHz] 00 50 200 ntenstatea curentulu njectat [ma] Fgura 7. Regunea autopulsaţlor în planul: tmpul de vaţă a purtătorlor de sarcnă n absorbant ntenstatea curentulu njectat pentru lungmea rezonatorulu 500µm. Alţ parametr sunt precum în Tabelul., 4. CONCLUZII In concluze menţonăm că au fost studate autopulsaţle unu laser de tpul InGaN cu emse de lumnă albastră voletă cu lungmea de undă de 95 nm. Dnamca laserulu este descrsă în lmtele modelulu lu Yamada ajustat pentru cazul laserelor cu multe grop cuantce InGaN cu absorbant de saturaţe. S-a arătat că grosmea absorbantulu precum ş tmpul de vaţă al purtătorlor de sarcnă în absorbant joacă un rol deosebt în dnamca laserulu. Autopulsaţle prezse teoretc au fost comparate cu cele detectate expermental în laserele recent fabrcate ş sunt în deplnă concordanţă. Dn rezultatele obţnute rezultă că laserul propus este promţător pentru aplcaţ practce în sstemele BD. Aceste lasere cu FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol., nr. -4, 2005
8 Cercetare autopulsat dspun de o performanţă îmbunătăţtă faţă de cele anteroare cu efect de unde contnue. Autorul aduce mulţumr prof. M. Yamada de la Unverstatea dn Kanazawa, Japona ş prof. R. A. Abram de la Unverstatea dn Durham, Marea Brtane, pentru colaborare ş dscuţ. Calde mulţumr domnlor S. Ito, T. Kawakam ş M. Taneya de la Compana Sharp, Japona, pentru suportul expermental. O parte dn lucrare a fost efectuată în cadrul proectulu 07 b/s. 7 une 2005 BIBLIOGRAFIE. http://blu-ray.com 2. S. Nakamura, S. Pearton, and G. Fasol, The Blue Laser Dode, 2nd ed. (Sprnger, Berln, 2000).. T. Takeuch, H. Takeuch, S. Sota, H. Saka, H. Amano, and I.Akasak, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 6, L77 (997). 4. T. Kobaas, T. Kobayash, F. Nakamura, K. Naganuma, T. Tojyo, H. Nakajma, T. Asatsuma, H. Kawa, and M. Ikeda, Electron. Lett. 4, 494 (998). 5. A. Kuramata, S. Kubota, R. Soejma, K. Domen, K. Horno,and T. Tanahash, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 7, L7 (998). 6. M. Kuramoto, C. Sasaoka, Y. Hsanaga, Y. Hsanaga, A.Kmura, A. A. Yamaguch, H. Sunakawa, N. Kuroda, M. Ndo,A. Usu, and M. Mzuta, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 8, L84 (999). 7. M. Knessl, D. P. Bour, C. G. Van de Walle, L. T. Romano, J.E. Northrup, R. M. Wood, M. Teepe, and N. M. Johnson, Appl.Phys. Lett. 75, 58 (999). 8. http://www.ncha.co.jp 9. S. Nakamura, M. Senon, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushta, H. Kryoku, Y. Sugmoto, T. Kozak, H. Umemoto, M. Sano, and K. Chocho, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 6, L568 (997). 0. M. Yamada, J. Appl. Phys. 79, 6 (996).. S. Matsu, H. Takguch, H. Hayash, S. Yamamoto, S. Yano, and T. Hjkata, Appl. Phys. Lett. 4, 29 (98) 2. V.Z.Troncu, M.Yamada, Tomok Ohno, Shgetosh Ito, Toshyuk Kawakam, and Mototaka Taneya IEEE J. Quantum Electroncs 9, 509-54 (200). V.Z.Troncu, M.Yamada Toshyuk Kawakam, Shgetosh Ito, Tomok Ohno Mototaka Taneya and R.A.Abram Optcs Communcatons Vol. 25 /4-6 pp. 409-44 (2004) 4. V.Z.Troncu, M.Yamada and R.A.Abram Phys Rev. E 70, 026604 (2004) 5. V.Z.Troncu, M.Yamada, Tomok Ohno, Shgetosh Ito, Toshyuk Kawakam, and Mototaka Taneya Analyss of self-pulsaton characterstcs of InGaN laser dode, Phys.Stat.Sol. C, 7, 2296-2299 (200) 6. T. Ohno, S. Ito, T. Kawakam, M. Taneya, Appl. Phys. Lett. 8 098, (200) 7. M. Yamada, IEEE J. Quantum Electron., vol. 29, pp. 0 6 (99) 8. M.Yamada IEICE Trans. Electron., vol. E8-C, pp. 290 298 (998) 9. L. A. Dubbeldam and B. Krauskopf, Opt. Commun. 59, 25 (999) 20. C. R. Mrasso, G. H. M. van Tartwjk, E. Hernandez-Garca, S. Lynch, P. Landas, P. Phelan, J. O Gorman, M. San Mguel, and W. Elsasser, IEEE J. Quantum Electron. 5, 764 (999). 2. Y. D. Jho, J. S.Yahng, E. Oh, and D. S. Km, Appl. Phys. Lett., vol. 79, pp. 0 2, (200) 22. C.-K. Sun and T.-L. Chu, Appl. Phys.Lett., vol. 7, pp. 425 427 (997).