Центр физики наногетероструктур
 

Лаборатория Полупроводниковой Люминесценции и Инжекционных Излучателей

Физико-технологические принципы создания интегральных многоэлементных фотонных схем на основе полупроводниковых наногетероструктур для мощных источников лазерного излучения с использованием технологии селективной эпитаксии

Руководитель член-корреспондент РАН П.С. Копьев

Достижения в области разработки и создания мощных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур за последнее десятилетие привели к широкому внедрению лазерных технологий в различные области: от машиностроения и обработки материалов до медицины и энергетики. Малые размеры, высокая надежность, рекордная энергоэффективность (КПД более 60%) делают источники на основе полупроводниковых лазеров незаменимыми для решения задач оптической накачки активных сред твердотельных и волоконных технологических лазеров, а также для задач прямой обработки и профилирования материалов. В настоящее время увеличение оптической мощности в лазерных системах на основе полупроводниковых гетероструктур реализуется за счет расширения излучающей апертуры (увеличение ширины области излучения в линейках и количества линеек в решетках), что позволяет преодолеть киловаттный уровень оптической мощности. Однако такой подход теряет свою эффективность как при решении задач создания высокоэффективной накачки, так и разработки полностью полупроводниковых мощных лазерных систем. Это связано с катастрофическим ухудшением таких ключевых параметров, как спектральная и пространственная яркость.

Целью данного проекта является разработка принципиально новых подходов создания полупроводниковых лазерных излучателей киловаттного уровня с предельной спектральной и пространственной яркостью.

Основные результаты исследований:

  1. Разработаны и исследованы полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с профилированными активными областями, обеспечивающими одномодовый режим генерации при сверхшироких апертурах. Микролинейки, состоящие из 10 полосков шириной 6.5 мкм, продемонстрировали оптическую мощность 5 Вт в непрерывном режиме и 26 Вт на 37 А в импульсном режиме (130 нс, 1 кГц).
  2. Для повышения яркости лазерного излучения были разработаны и исследованы импульсные источники лазерного излучения с длиной волны 910 нм на основе вертикальных решеток в виде туннельносвязанных излучающих AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктур. Микролинейки из 3 полосков шириной 800 мкм каждый продемонстрировали генерацию лазерных импульсов 1150 Вт/750 А/25 °C, 1030 Вт/750 А/50 °C и 905 Вт/720 А/75 °C.
  3. На основе гетероструктур с двойной асимметрией и градиентными волноводными слоями разработаны линейки полупроводниковых лазеров (1060 нм) со сверхширокой излучающей апертурой и стеки на их основе. Была продемонстрирована выходная пиковая оптическая мощность 290 Вт для единичного излучателя и 1400 Вт для стека, состоящего из 3 микролинеек с тремя излучателями каждая, при накачке 100 нс импульсами с частотой 1 кГц.
  4. Одиночные излучатели с апертурой 800 мкм продемонстрировали максимальную пиковую оптическую мощность 83 Вт на 97 А при накачке в квазинепрерывном режиме с длительностью импульса 1 мс.

Публикации

В ходе продолжающегося проекта коллективом уже опубликовано более 30 работ в ведущих научных журналах, в том числе 13 статей в журналах Q1.

2019 год

  1. Veselov D.A. et al. Measurements of internal optical loss inside an operating laser diode // J. Appl. Phys. 2019. Vol. 126, № 21. P. 213107. https://doi.org/10.1063/1.5115117
  2. Podoskin A. et al. Ultrabroad tuning range (100 nm) of external-cavity continuous-wave high-power semiconductor lasers based on a single InGaAs quantum well // Appl. Opt. 2019. Vol. 58, № 33. P. 9089. https://doi.org/10.1364/AO.58.009089
  3. Slipchenko S.O. et al. Low-Voltage AlGaAs/GaAs Thyristors as High-Peak-Current Pulse Switches for High-Power Semiconductor Laser Pumping // IEEE Trans. Electron Devices. IEEE, 2020. Vol. 67, № 1. P. 193-197. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2951033
  4. Slipchenko S.O. et al. High peak optical power of 1ns pulse duration from laser diodes - low voltage thyristor vertical stack // Opt. Express. 2019. Vol. 27, № 22. P. 31446. https://doi.org/10.1364/OE.27.031446
  5. Шамахов В.В. et al. Исследование многомодовых полупроводниковых лазеров на основе гетероструктуры типа зарощенная меза // Квантовая Электроника. 2019. Vol. 49, № 12. P. 1172-1174. http://mi.mathnet.ru/qe17155 (English version - http://dx.doi.org/10.1070/QEL17135)
  6. Головин В.С. et al. Выгорание продольного пространственного провала (LSHB) в мощных полупроводниковых лазерах: численный анализ // Квантовая Электроника. 2020. Vol. 50, № 2. P. 147-152. http://mi.mathnet.ru/qe17191 (English version - http://dx.doi.org/10.1070/QEL17146)
  7. Zolotarev V. V et al. Continuous wave and pulse (2-100 ns) high power AlGaAs/GaAs laser diodes (1050 nm) based on high and low reflective 13th order DBR // Semicond. Sci. Technol. 2020. Vol. 35, № 1. P. 015009. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab5435
  8. Soboleva O.S. et al. Numerical Study of Carrier Transport in n + /n/n + GaAs/AlGaAs Heterostructure at High Current Densities // IEEE Trans. Electron Devices. 2020. Vol. 67, № 2. P. 438-443. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2960936
  9. Шашкин И.. et al. Одномодовые лазеры (1050 нм) мезаполосковой конструкции на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs со сверхузким волноводом // Физика и техника полупроводников. 2020. Vol. 54, № 4. P. 414. http://dx.doi.org/10.21883/FTP.2020.04.49150.9334 (English version - http://dx.doi.org/10.1134/S1063782620040181)
  10. Шашкин И.С. et al. Излучательные характеристики мощных полупроводниковых лазеров (1060 нм) с узким мезаполосковым контактом на основе асимметричных гетероструктур AlGaAs/GaAs с широким волноводом // Физика и техника полупроводников. 2020. Vol. 54, № 4. P. 408. http://dx.doi.org/10.21883/FTP.2020.04.49149.9333 (English version - http://dx.doi.org/10.1134/S106378262004017X)
  11. Podoskin A.A. et al. Properties of external-cavity high-power semiconductor lasers based on a single InGaAs quantum well at high pulsed current pump // J. Opt. Soc. Am. B. 2020. Vol. 37, № 3. P. 784. https://doi.org/10.1364/JOSAB.384971

2020 год

  1. Бобрецова Ю.К. et al. Вытекание излучения из волновода мощных полупроводниковых AlGaAs/InGaAs/GaAs-лазеров // Квантовая Электроника. 2020. Vol. 50, № 8. P. 722-726. http://mi.mathnet.ru/qe17302 (English version - )
  2. Slipchenko S.O. et al. High-power semiconductor lasers with surface diffraction grating (1050nm) // Novel In-Plane Semiconductor Lasers XIX SPIE, 2020. P. 64. https://doi.org/10.1117/12.2546174
  3. Slipchenko S.O. et al. Energy balance model of high-power semiconductor lasers at high-pumping current // Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XXVIII SPIE, 2020. P. 17. https://doi.org/10.1117/12.2546263
  4. Slipchenko S.O. et al. Hybrid vertically integrated thyristor-semiconductor laser assemblies for generating ns laser pulses // Smart Photonic and Optoelectronic Integrated Circuits XXII SPIE, 2020. P. 76. https://doi.org/10.1117/12.2545098
  5. Slipchenko S.O. et al. Single-mode AlGaAs/InGaAs/GaAs lasers with a ultra narrow waveguide // Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XXVIII SPIE, 2020. P. 84. https://doi.org/10.1117/12.2546240
  6. Soboleva O.S. et al. The Effect of the Carrier Drift Velocity Saturation in High-Power Semiconductor Lasers at Ultrahigh Drive Currents // IEEE Trans. Electron Devices. 2020. Vol. 67, № 11. P. 4977-4982. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3024353
  7. Бобрецова Ю.К. et al. Экспериментальная методика исследования оптического поглощения в волноводных слоях полупроводниковых лазерных гетероструктур // Квантовая Электроника. 2021. Vol. 51, № 2. P. 124-128. http://mi.mathnet.ru/qe17391 (English version - http://dx.doi.org/10.1070/QEL17427)
  8. Гаврина П.С. et al. Ватт-амперные характеристики мощных импульсных полупроводниковых лазеров (1060 нм), работающих при повышенных (до 90 °С) температурах // Квантовая Электроника. 2021. Vol. 51, № 2. P. 129-132. http://mi.mathnet.ru/qe17398 (English version - http://dx.doi.org/10.1070/QEL17478)
  9. Slipchenko S.O. et al. High-Power and Repetion Rate Nanosecond Pulse Generation in "Diode Laser-Thyristor" Stacks // IEEE Photonics Technol. Lett. 2021. Vol. 33, № 1. P. 11-14. https://doi.org/10.1109/LPT.2020.3040026
  10. Slipchenko S.O. et al. Near-Field Dynamics of Ultra-Wide-Aperture (800 μ m) Diode Lasers Under Nanosecond Pulse Excitation // IEEE Photonics Technol. Lett. 2021. Vol. 33, № 1. P. 7-10. https://doi.org/10.1109/LPT.2020.3040063
  11. Шашкин И.С. et al. Мощные непрерывные лазеры InGaAs/AlGaAs (1070 нм) с расширенным латеральным волноводом мезаполосковой конструкции // Физика и техника полупроводников. 2021. Vol. 55, № 4. P. 344. http://dx.doi.org/10.21883/FTP.2021.04.50736.9565
  12. Шашкин И.С. et al. Исследование динамики выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров (1070 nm) с маломодовым латеральным волноводом мезаполосковой конструкции при сверхвысоких токах накачки // Письма в журнал технической физики. 2021. Vol. 47, № 7. P. 42. http://dx.doi.org/10.21883/PJTF.2021.07.50799.18644

2021 год

  1. Бобрецова Ю.К. et al. Оптическое поглощение в волноводе AlGaAs-гетероструктуры n-типа // Квантовая Электроника. 2021. Vol. 51, № 11. P. 987-991. http://mi.mathnet.ru/qe17931 (English version - http://dx.doi.org/10.1070/QEL17640)
  2. Veselov D.A. et al. Internal optical loss and internal quantum efficiency of a high-power GaAs laser operating in the CW mode // Semicond. Sci. Technol. 2021. Vol. 36, № 11. P. 115005. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ac1f83
  3. Slipchenko S.O. et al. High-power pulsed semiconductor lasers (905 nm) with an ultra-wide aperture (800 μm) based on epitaxially integrated triple heterostructures // 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). IEEE, 2021. P. 1-1. https://doi.org/10.1109/CLEO/Europe-EQEC52157.2021.9541707
  4. Slipchenko S.O. et al. Low-Voltage Thyristor Heterostructure for High-Current Pulse Generation at High Repetition Rate // IEEE Trans. Electron Devices. 2021. Vol. 68, № 6. P. 2855-2860. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3072606
  5. Shamakhov V. et al. Surface Nanostructuring during Selective Area Epitaxy of Heterostructures with InGaAs QWs in the Ultra-Wide Windows // Nanomaterials. 2020. Vol. 11, № 1. P. 11. https://doi.org/10.3390/nano11010011
  6. Слипченко С.О., et al. Вертикальные стеки мощных импульсных (100нc) полупроводниковых лазеров кВт уровня пиковой мощности на основе мезаполосковых волноводов со сверхширокой апертурой (800мкм) на длине волны 1060нм // Квантовая электроника (2022 г.)
  7. Slipchenko S.O. et al. Tunnel-coupled laser diode microarray as a kW-level 100-ns pulsed optical power source (λ=910 nm) // IEEE Photonics Technol. Lett. 2021. https://doi.org/10.1109/LPT.2021.3134370
  8. Слипченко С.О. et al. Мощные импульсные полупроводниковые лазеры (910нм) мезаполосковой конструкции со сверхширокой излучающей апертурой на основе туннельно-связанных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs // Квантовая электроника (2022 г.)
  9. Слипченко С.О., et al. Квазинепрерывные мощные полупроводниковые лазеры (1060нм) со сверхширокой излучающей апертурой // Квантовая Электроника (2022 г.)

Конференции

Полученные научные результаты были представлены на ведущих мировых конференциях

  • SPIE Photonics West 2020 San Francisco, California, United States 1 - 6 February 2020
    1. "Pulse laser diode modules for high-power, high-frequency operation" (oral)
    2. "Hybrid vertically integrated thyristor-semiconductor laser assemblies for generating ns laser pulses" (poster)
    3. "Energy balance model of high-power semiconductor lasers at high-pumping current" (oral)
    4. "Single-mode AlGaAs/InGaAs/GaAs lasers with a ultra narrow waveguide heterostructure" (poster)
    5. "High-power semiconductor lasers with surface diffraction grating (1050nm)" (poster)
    6. "High-power 1020-1080nm tunable laser diodes based on Littrow geometry external resonator" (poster)
    7. "High-power laser diodes with ultra-narrow waveguides for pulse operation" (oral)
    8. "Energy barrier layers for high-power semiconductor lasers of 1550 nm spectral range" (oral)

  • VII Международный симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур" Москва 18-20 ноября 2019г.
    1. "Импульсные и непрерывные лазерные диоды и модули 800-1600нм диапазона длин волн" приглашенный доклад Пихтина Н.А.
    2. "Интегральный и гибридный подход для генерации мощных лазерных импульсов многопереходными AlGaAs/GaAs гетероструктурами" приглашенный доклад Слипченко С.О.
    3. "Effect of temperature on the quantum well laser characteristics" приглашенный доклад Соколова З.Н.

  • 19th International Conference Laser Optics ICLO 2020 2-6 November, 2020 St.Petersburg, Russia Устные доклады:
    1. "High-power narrow-stripe semiconductor lasers (1060 nm) at ultrahigh pump levels"
    2. "Numerical study of light-current characteristics of laser diode with an ultrathin waveguide under high drive current using the ebergy balance model"
    Стендовые доклады:
    1. "Laser/heterothyristor hybrid assemblies based on AlGaAs/GaAs heterostructures for high-power and ns-laser-pulse-width operation"
    2. "Laser heterostructures with a broadened MQW waveguide for high-power and sub-ns-laser-pulse-width operation"
    3. "Design of semiconductor lasers for generation of high-power sub-ns laser pulses in the gain switching mode"
    4. "Single mode narrow spectrum DBR laser (1040nm)"
    5. Near field dynamics of a 1060 nm single-mode laser diode based on InGaAs/AlGaAs/GaAs
    6. "Near field dynamics of a 1060 nm single-mode laser diode based on InGaAs/AlGaAs/GaAs"
    7. "Study of InGaAs/AlGaAs/GaAs semiconductor lasers with a buried mesa"
    8. "Binary Operating Characteristics in Quantum Well Lasers"

  • XIV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» 10 - 13 марта 2020 г., Нижний Новгород
    1. Соколова З.Н., Пихтин Н.А., Слипченко С.О., Асрян Л.В. «Температурная зависимость характеристик полупроводниковых лазеров на квантовых ямах» (устный доклад)
    2. С.О. Слипченко, О.С. Соболева, Н.А. Пихтин «Эффекты ограничения пиковой оптической мощности полупроводниковых лазеров при сверхвысоких уровнях возбуждения» (постер)

  • VIII Международный симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (КОИПСС 2021), 23-25 ноября 2021г., Москва, Россия
    Устные приглашенные доклады:
    1. С.О. Слипченко «Мощные полупроводниковые одномодовые лазеры и линейки на их основе с высокой стабильностью латерального дальнего поля»
    2. З.Н. Соколова «Влияние геометрии квантово-размерных лазеров на их характеристики»
    Стендовые доклады:
    1. «Дефлектор лазерного луча на основе гетероструктуры с квантовыми ямами и с поверхностной брэгговской решеткой»
    2. «Стеки мощных импульсных (100нс) полупроводниковых лазеров кВт уровня пиковой мощности (1060нм) на основе полосковых конструкций со сверхширокой апертурой (800мкм)»
    3. «Новая конструкция вертикального волновода мощных импульсных излучателей, основанная на гетероструктуре с туннельными переходами»
    4. «Исследования динамики разогрева активной области мощных полупроводниковых лазеров (1060нм) со сверхширокой излучающей апертурой (800мкм)»
    5. «Динамика морфологии поверхности и оптические характеристики InGaAs/AlGaAs/GaAs структур, выращенных селективной эпитаксией»
    6. «Мощные импульсные полупроводниковые лазеры для дальномерных применений»
    7. «Мощные импульсные лазерные диоды интегрированные с платами накачки»

  • 27th International Semiconductor Laser Conference, 10-14 Октября 2021г., Potsdam, Germany Стендовые доклады:
    1. "Heterostructure Designs for High-power 1450 nm Lasers"
    2. "Experimental Research of Optical Absorption in Semiconductor Laser Waveguide Layers"
    3. "Integral and hybrid approaches for high-power laser pulse generation (900-1060nm) by semiconductor heterostructures with electrical bistability"
    4. "High-power pulsed (100 ns) laser sources (900 nm) based on epitaxially integrated heterostructures with tunnel p-n junctions"

  • CLEO/EUROPE-EQEC 2021, 21-25 Июня 2021г., Munich, Germany
    1. "High-power pulsed semiconductor lasers (905 nm) with an ultra-wide aperture (800 μm) based on epitaxially integrated triple heterostructures"

  • 7 научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули » Республика Крым, г. Алушта, 2021 г.
    1. Слипченко С.О., Подоскин А.А., Веселов Д.А., Пихтин Н.А., Копьев П.С. «Мощные полупроводниковые лазеры для задач радиофотоники»

Школа-Конференция

Коллективном ежегодно проводится международная школа-конференция для молодых ученых. Приглашаются лекторы — ведущие специалисты из разных стран (Россия, Германия, Великобритания, Белоруссия и США). В рамках школы обсуждаются самые последние достижения в области физики и технологии различных типов полупроводниковых лазеров.

В 2021 году участвовало 12 лекторов и более 40 молодых участников до 35 лет. Были представлены две лекции по квантово-каскадным лазерам (ККЛ) — полупроводниковым лазерам, излучающим в средней и дальней инфракрасной области электромагнитного спектра. Две лекции были посвящены вертикально-излучающим лазерам (VCSEL), которые используются для скоростной передачи данных. Большой интерес вызвала лекция чл.-корр. РАН А.Е. Жукова «Инжекционные микролазеры с квантовыми точками и их интеграция с кремнием». Также были лекции «Полупроводниковые наногетероструктуры для мощных интегрированных лазерных излучателей», «Условно безопасные лазеры. Что это такое?», «Полупроводниковые фотоприёмники для ближнего и среднего ИК диапазонов спектра», «Генерация наносекундных (~ 10 нс) импульсов высокой мощности лазерами длинноволнового диапазона с асимметричным волноводом, объёмным активным слоем и небольшой длиной резонатора: теория и эксперимент», «Связанные состояния в континууме в фотонике» и «Лазеры с асимметричными барьерными слоями: эффекты прямого и непрямого захвата носителей заряда в излучающее основное состояние в квантовых точках». Таким образом, в рамках школы были представлены практически все широко востребованные конструкции полупроводниковых лазеров, были представлены теоретические, экспериментальные и технологические аспекты.

Фотографии, сделанные во время проведения школы

На лекции А.В. Бабичева
На лекции А.В. Бабичева
Участники школы
Участники школы
На лекции А.Е. Жукова
На лекции А.Е. Жукова
Участники школы
Участники школы

Заведующий лабораторией

Никита Александрович Пихтин
Тел:   + 7-(812)-292-7379
Факс: +7-(812)-292-7379