[LT] SESAM prietaisas, sudarytas iš ant GaAs padėklo išaugintų AlAs/GaAs arbaAlOx/GaAs Brego veidrodžių ir įsisotinančio sugėriklio, pagaminto iš bismuto turinčių puslaidininkių tūrinių sluoksnių arba kvantinių duobių. Tokie bismuto turintys puslaidininkiai gali, pavyzdžiui, būti GaAsBi, GaAsSbBi ar GaInAsBi. Šiuose A3B5 grupės puslaidininkiniuose junginiuose Bi atomų įvedimas pakelia valentinės juostos energijos lygmenis darydamas mažą įtaką laidumo juostos energijos lygmenų padėčiai. Todėl praplatėja bangos ilgių, kuriems gali būti naudojamas SESAM prietaisas, intervalas.
[EN] A SESAM device comprising a AIAs/GaAs or a AIOx/GaABragg mirror and asaturable absorber, formed from bismuth containing bulk semiconductor layers orquantum dots, grown on GaAs substrate. Such bismuth containing semiconductor materiais can be, for example GaAsBi, GaAsSbBi or GalnAsBi. The introduction of Bi atoms in such A3B5 `group` semiconductor materiais pushes the valence band energies up, while slightly influencing the positions of conduction band energies. Therefore theband width of wave lengths for which the SESAM device can be used is widened.
[0001] TECHNIKOS SRITIS
[0002] Šis išradimas priklauso puslaidininkinių prietaisų sričiai ir yra susijęs su puslaidininkinio įsisotinančio sugėriklio veidrodžiais, ir gali būti naudojamas sinchronizuotų modų lazeriuose trumpiesiems optiniams impulsams generuoti.
[0003] TECHNIKOS LYGIS
[0004] Pasiūlyme aprašytas puslaidininkinio įsisotlnančio sugėriklio veidrodis (angl.
[0005] Semiconductor Saturable Absorber Mirror-SESAM) ir jo gamybos technologija gali būti naudojami gaminant pasyvius puslaidininkinius optinius komponentus ir lazerių sistemas, skirtas trumpųjų optinių impulsų, generavimui. Tokie trumpi impulsai yra pritaikomi optinio ryšio technologijose, medžiagų apdirbime, medžiagotyroje ir kitose srityse.
[0006] Trumpųjų ir ultra trumpųjų lazerinių impulsų generavimui dažnai naudojamas modų sinchronizacijos metodas. Modų sinchronizacija yra išilginių rezonatoriaus modų koherentinis superpozicionavimas. Bendrai, modų sinchronizacija yra įgyvendinama įvedant nuo laiko priklausančius rezonatoriaus nuostolius (t.y. tam tikroje rezonatoriaus vietoje, tam tikrais laiko intervalais sudarant sąlygas, kada stiprinimas viršija nuostolius. Modų sinchronizacija gali būti aktyvioji ir pasyvioji. Aktyvioji modų sinchronizacija įgyvendinama naudojant elektrooptinius, akustooptinius arba panašius elementus, arba lazeriuose, turinčiuose aukštą lazerinės terpės viršutinio lygmens gyvavimo trukmę, moduliuoįant stiprinimo koeficientą. Paprastai, trumpųjų impulsų generavimui aktyviosios modų sinchronizacijos priemonės yra per lėtos bei reikalauja sparčių išorinių valdymo priemonių. Šiuo atveju pasyvioji modų sinchronizacija turi privalumų ir leidžia pasiekti geresnę tokio lazerio greitaveiką. Tai gali būti įgyvendinama patalpinant į lazerio rezonatorių įsisotinant sugėriklį. Tokių sugėriklių sugertis, taip pat ir rezonatoriaus nuostoliai, priklauso nuo į jį krentančio impulso intensyvumo.
[0007] Įsisotinančiais sugėrikliais dažniausiai gali būti laikomi dviejų atominių lygmenų arba juostinės sandaros lygmenų sistemos medžiaga ar darinys, kuriame sugeriamos lazerinės spinduliuotės energijos srautas priklauso nuo laisvųjų būsenų, kurias gali užimti atitinkamo bangos ilgio fotonų sugerties metu sužadinami krūvininkai. Sugeriant šviesos kvantus, kurių bangos ilgis atitinka energijų skirtumą tarp sužadinto ir nesužadinto lygmens (laidumo ir valentinės juostos), medžiagos krūvininkai perkeliami i aukštesnius energijos lygmenis. Jeigu spinduliuotė pakankamai intensyvi, krūvininkų skaičius sužadintoje būsenoje didėja iki kol duotai fotono energijai visos laisvos būsenos laidumo juostoje užimamos ir tolesnis žadinimas sugeriant fotonus nebeįmanomas dėl Pauli draudimo principo - įvyksta sugerties įsisotinimas. Taip pat svarbu paminėti, kad dažniausiai sugėrikliai formuojami taip, kad sužadinti krūvininkai rekombinuotų nespinduliniu būdu.
[0008] Toliau trumpai aptariama savaiminės impulsų generacijos pradžios ir impulsų stabilizavimo procesai, kai lazerio rezonatoriuje patalpinamas įsisotinantis sugėriklis. Patalpinus tokį įsisotinantį sugėriklĮ į lazerio rezonatorių, būtų galima stebėti, kad pradėjus kaupinti aktyviąją terpę, kol lazerinės spinduliuotės krentančios Į sugėriklĮ intensyvumas yra mažas, sugėriklis yra neskaidrus, o visa krentanti spinduliuotė sugeriama. Tokiame lazerio rezonatoriuje impulsų generacija nevyktų iki tol, kol pakankamai išaugus užpildos apgrąžai ir atsitiktiniam triukšminiam signalui viršijus intensyvumą, reikalingą sugėrikliui praskaidrinti, prasidėtų savaiminis impulsų generavimas. Augant spinduliuotės intensyvumui toks sugėriklis skaidrėja ir jam įsisotinus, pasiekiama maksimali rezonatoriaus kokybė. Tokiu būdu prasideda savaiminė pasyvi modų sinchronizacija.
[0009] Prasidėjus lazeriniam generavimui, sugėriklis stabilizuoja lazerio impulsus laike, mažiausiai slopindamas intensyviausią impulso dalį ir labiausiai slopindamas priekinĮ ir galinĮ impulso frontus, kuriems sugerties nuostoliai yra didesni. Tokiu būdu impulsas daugelĮ kartų apeidamas lazerio rezonatorių trumpėja laike iki kol pasiekiamas nuostovus impulsų generavimas. Tada impulsai nebetrumpėja dėl laikinės rezonatoriaus optinių elementų dispersijos ir paprastai ribotos lazerio stiprinamų bangos ilgių juostos. Tokie įsisotinantys sugėrikliai privalo pasižymėti trumpesne, nei generuojamų impulsų trukmė, sugerties atsistatymo trukme ir dideliu sugerties skerspjūviu (apie 10-16 cm2 ir didesniu). Tokių sugėriklių realizavimui ypatingai tinkamos medžiagos yra puslaidininkiai.
[0010] Puslaidininkinių sugėriklių sugerties koeficiento priklausomybę nuo šviesos srauto intensyvumo galima aproksimuoti panaudojant įsisotinančios sugerties formulę:
[0011] Praktikoje minėti sugėrikliai naudojami puslaidininkinių terpių pagrindu sukurtuose įsisotinančio sugėriklio veidrodžiuose (SESAM) (principinė schema pateikta Fig. 1), kuriuos bendruoju atveju sudaro padėklas (1), Brego veidrodis (2), Įsisotinantls sugėriklis (3), sudarytas iš vieno ar daugiau puslaidininkinių tūrinių sluoksnių ar kvantinių duobių, ir suformuotos papildomos optinės dangos (4) skirtos išvengti rezonansinės veikos ir geriau lokalizuoti elektromagnetini lauką pačiame prietaise (siekiant maksimalaus efektyvumo ir vengiant optinių pramušimų). Pirmosios SESAM konstrukcijos yra aprašytos mokslinėje U. Keller et al. publikacijoje IEEE J. Sel.Top. Quantum Electron. 2, 435 (1996) ir įeina į dabartinį šios srities specialistams žinomą technikos lygi. SESAM'ai formuojami pasitelkiant sluoksnių auginimą molekulinių pluoštelių epitaksijos būdu, kuri taip pat turėtų būti gerai žinoma srities specialistui.
[0012] Didelė problema lieka kokybiškų SESAM'ų, tinkamų ilgesnių bangos ilgių (pavyzdžiui, atitinkančių optinio ryšio langus ties 1,3 ir 1,5 mikrometrais) sukūrimas. 1,3 IJm bangoms ilgiams galima panaudoti SESAM'us su sugėrikliu iš InGaAs kvantinių duobių (toks sprendimas aprašytas R. Fluck et. al., Opt. Lett. 21, 1378 (1996». Tam reikia, kad In dalis pasiektų apie 40 proc. Didėjant indžio koncentracijai, mažėja draustinių energijų tarpas, todėl optinės sugerties kraštas stumiasi į ilgesnių bangos ilgių sritį, Tačiau tuo pat metu ženkliai padidėja sluoksnio ir GaAs padėklo gardelių nesutapimas (40% In atveju jis siekia 3,5%), todėl sluoksniai darosi labai įtempti, blogėja jų paviršiaus kokybė, didėja šviesos įvedimo nuostoliai. Mažesni gardelių nesutapimą bei mažesnius sluoksnių įtempius galima gauti auginant Brego veidrodžius ir InGaAs sugėriklių sluoksnius ant InP padėklų (R. Fluck et al., Appl. Phys. Lett. 72, 3273 (1998)). Tačiau InP sistemoje užaugintiems Brego veidrodžiams yra būdingi keli trūkumai, tarp jų - mažesnis nei GaAs/AIAs atveju skirtumas tarp veidrodi sudarančių medžiagų sluoksnių lūžio rodiklių bei prastas šiluminis laidumas.
[0013] Kitu atveju ant GaAs padėklo ir GaAs/AIAs Brego veidrodžio buvo auginamas sugėriklis, sudarytas iš GalnNAs kvantinių duobių (toks sprendimas aprašytas V. Liverini et al., Appl. Phys. Lett. 84, 4002 (1998) ir PCT paraiškoje nr. W003055014). Dalies arseno atomų V-grupės kristalinėje pogardelėje pakeitimas azotu paspartina draustinių energijų tarpo mažėjimą ir padidina sugerties krašto raudoną] poslinki. Realizuotame tokio SESAM'o variante pavyko panaudoti prietaisą kietakūnio 1,3 IJm bangos ilgio lazerio modų sinchronizavimui gaunant kelių pikosekundžių trukmės optinius impulsus. Trumpesnius impulsus generuoti neleido palyginti ilgos (apie 30 ps) nepusiausvirųjų krūvininkų gyvavimo trukmės sugėriklio medžiagoje. Taip pat SESAM'ai su GalnNAs sugėrikliais netinka ilgesniems nei šis bangos ilgiams, nes azoto įvedimas didina efektinį būsenų tankį laidumo juostoje ir su juo susijusį soties optinį intensyvumą.
[0014] Sprendimai, kuriais siekiama panaikinti aukščiau aptartus trūkumus buvo pasiūlyti Kinijos patente Nr. CN 1953217, aprašančiame kvantinės duobės darinį, sudarytą iš GaNAs barjerinių sluoksnių ir GalnNAsSb kvantinės duobės sluoksnio, ir mokslinėje publikacijoje N. K. Metzger et al., "Femtosecond pulse generation around 1500nm using a GalnNAsSb SESAM", OPTICS EXPRESS, 16, 18739 (2008). Pastaruoju atveju SESAM veidrodžiai taip pat auginami naudojant GaAs epitaksijos technologiją, tačiau jo sugėriklį sudaro penkianario junginio GalnNAsSb sluoksniai. Tokio sluoksnio V-grupės pogardelėje greta As atomų yra mažesni už juos N atomai ir sunkesni už juos Sb atomai. Azoto atomų išoriniame sluoksnyje yra s-elektronai ir jie sąveikauja su junginio laidumo juostos lygmenimis, tuo tarpu Sb atomų p-elektronai didžiausią įtaką turi junginio valentinės juostos sandarai. Abi šios sąveikos verčia judėti laidumo ir valentinę juostas link viena kitos ir sparčiau mažina draustinių energijų tarpą. Tačiau jos sukelia ir nepageidaujamą pašalinį efektą - laidumo ir valentinės juostos efektinių būsenų tankių augimą, kuris SESAM'e pasireiškia didindamas toms būsenoms užpildyti ir optiniam praskaidrėjimui pasiekti reikalingą lazerio pluoštelio intensyvumą. Kitas šio sprendimo trūkumas yra nepakankamai trumpos sugėriklio atsistatymo trukmės - 12 ps eilės. Nors jos leido generuoti 230 fs trukmės, 1528 nm bangos ilgio Cr4+:YAG lazerio impulsus, tolesniam lazerio impulsų trukmių mažinimui būtini sugėrikliai su mažesnėmis krūvininkų gyvavimo trukmėmis.
[0015] IŠRADIMO ESMĖ
[0016] Šiuo išradimu siekiama išspręsti aukščiau paminėtas problemas ir sukurti SESAM prietaisą, kuris turi įsisotinantį sugėriklį, kurio charakteristikos būtų geresnės nei tradicinių tokio tipo prietaisų suformuotų su InGaAs sugėriklio sluoksniais arba užaugintų ant InP padėklų.
[0017] Siūlomas SESAM prietaisas, sudarytas iš ant GaAs padėklo išaugintų AIAsl GaAs arba AIOx/GaAs Brego veidrodžių ir įsisotinančio sugėriklio sluoksnio, pagaminto iš bismuto turinčių puslaidininkių tūrinių sluoksnių arba kvantinių duobių, taip pakeliant valentinės juostos energijos lygmenis ir mažai įtakojant laidumo juostos energijos lygmenų padėti, išlaikant nedidelį laidumo juostos efektinį būsenų tankį, Todėl naudojant sugėriklio sluoksnyje Bi turinčią puslaidininkinę medžiagą, galima pagerinti tokius SESAM prietaiso parametrus kaip veikos spartą, pasiekiant trumpųjų impulsų generavimo veiką didesnių bangos ilgių IR srityje, esant mažesnėms legiravimo koncentracijoms, ir galima geriau parinkti jo charakteristikas konkretiems taikymams.
[0018] TRUMPAS BRĖŽiNIŲ FIGORŲ APRAŠYMAS
[0019] Norint geriau suprasti išradimą ir įvertinti jo praktinius pritaikymus, pateikiami šie aiškinamieji brėžiniai. Brėžiniai pateikiami tik kaip pavyzdžiai ir jokiu būdu neriboja išradimo apimties.
[0020] Fig.1. SESAM principinė schema;
[0021] Fig.2. Dviejų trinarių puslaidininkinių junginių: GaAs1-xBix ir GalnxAs1-x draustinio tarpo priklausomybės nuo junginio sąstato;
[0022] Fig.3. Kaupinimo impulsu indukuoto optinio praskaidrėjimo priklausomybės nuo fotono energijos, išmatuotos trijuose GaAs1-xBix sluoksniuose su skirtingomis bismuto dalimis;
[0023] Fig.4. Indukuotojo praskaidrėjimo laikinė dinamika GaAs1-xBix sluoksnyje su 6% Bi, užaugintame ant GaAs/AIAs Brego veidrodžio, išmatuota atspindžio režime. Šviesos bangos ilgis buvo 1,1 mikrometro, vidutinė kaupinimo impulsų pluoštelių galia - 190 mW;
[0024] Fig.5. Indukuotojo praskaidrėjimo laikinė dinamika GaAs1-xBix sluoksnyje su 6% Bi, užaugintame ant GaAs/AIAs Brego veidrodžio, išmatuota atspindžio režime. Šviesos bangos ilgis buvo 1,1 mikrometro, vidutinė kaupinimo impulsų pluoštelių galia - 190 mW;
[0025] Indukuotojo praskaidrėjimo priklausomybė nuo kaupinimo pluoštelio vidutinės galios GaAs1-xBix sluoksnyje su 6% Bi, užaugintame ant GaAs/AIAs Brego veidrodžio, išmatuota atspindžio režime. Šviesos bangos ilgis buvo 1,1 mikrometro. Punktyrinė kreivė vaizduoja teorinę aproksimaciją naudojant įsisotinančios sugerties formulę.
[0026] TINKAMIAUSIIGYVENDINIMO VARIANTAI
[0027] Tinkamiausiame išradimo įgyvendinimo variante, SESAM sugėriklio sluoksnį (3) sudaro medžiaga, turinti bismuto atomų. Tokie bismuto turintys puslaidininkiai gali būti GaAsBi, GaAsSbBi ar GalnAsBi. Šiuose A3B5 grupės puslaidininkiniuose junginiuose Bi atomų Įvedimas pakelia valentinės juostos energijos lygmenis, darydamas mažą įtaką laidumo juostos energijos lygmenų padėčiai. Todėl laidumo juostos defektinis būsenų tankis lieka nedidelis, panašus į GaAs laidumo juostos būsenų tankį užtikrindamas mažą sugėriklio soties srautą.
[0028] Reikia pabrėžti, kad GaAsBi ir kitų bismidų sugėriklio sluoksnių naudojimas suteikia unikalias galimybes gaminti infraraudonajai spinduliuotei skirtus SESAM'us ant GaAs padėklų. Eksperimentiniai GaAsBi tyrimai parodė, kad šio junginio draustinių energijų tarpas įvedant Bi mažėja labai sparčiai - po 90 meV kiekvienam įvesto Bi procentui. Todėl εg=0,8 eV galima pasiekti jau tada, kai į GaAs yra įvesta vos 10% Bi, o GaAsBi su 15% Bi draustinių energijų tarpas sumažės net iki εg=0,4 eV. Palyginimui galima pastebėti, jog trinario junginio InGaAs draustinių energijų tarpas augant In daliai mažėja kur kas lėčiau - įvedus į GaAs net 30% In, draustinių energijų tarpas sumažėja tik iki 1 eV. GaAsBi ir GalnAs junginių draustinio tarpo priklausomybės nuo sąstato pavaizduotos Fig. 2. Bi koncentracija gali būti parenkama pagal tai, kokios yra siekiamos SESAM'o charakteristikos.
[0029] Norint geriau suvokti šio išradimo privalumus ir veikimo principus toliau pateikiamas šis pavyzdys. Pagal šio išradimo savybes buvo suformuoti GaAs1-xBix
[0030] sluoksniai su skirtingomis bismuto dalimis, kaupinimo impulse išmatuotos indukuotos optinio praskaidrėjimo priklausomybės, jos pateiktos Fig. 3. Sluoksniai auginti ant pusiau izoliuojančių GaAs padėklų, visų jų storis buvo 1,5 mikrometro. Matavimuose naudoti femtosekundiniai (150 fs trukmės, 200 kHz pasikartojimo dažnio) optiniai impulsai, generuojami optinio parametrinio stiprintuvo ORPHEUS (Light Conversion); naudota optinio kaupinimo - optinio zondavimo metodika. Kaupinimo impulsų vidutinė energija buvo 1 µJ, praėjimo režime matuojamų zondavimo impulsų vidutinė energija buvo 0,05-0,1 µJ. Pagal praskaidrėjimo pradžią galima nustatyti sluoksnio draustinių energijų tarpo dydį, sluoksnis su 11 % Si efektyviai praskaidrėja ties 0,8 eV dydžio fotonų energijomis, atitinkančiomis 1500 nm bangos ilgį.
[0031] Pažymėtina, kad krūvininkų gyvavimo trukmes bismiduose galima reguliuoti šių medžiagų sluoksnių auginimo molekulinių pluoštelių epitaksijos būdu proceso metu. Padidinus Bi molekulių srautą dalis Bi atomų patenka ne į kristalinės gardelės Vgrupės elementų pogardelės mazgus, o pavyzdžiui į tarpmazgius ar į III-grupės elementų pogardelės mazgus, kur sudaro gilius defektų lygmenis - Bij ar BiGa, atitinkamai. Šie defektai veikia kaip spartūs krūvininkų pagavimo centrai, kurie gali sumažinti jų gyvavimo trukmes iki mažesnių už 1 ps dydžių. Tokį pat efektą sukelia ir sluoksnyje susidarantys bismuto dimerai, trimerai bei iš didesnio Si atomų skaičiaus sudaryti klasteriai. Visų šių defektų tankį, o tuo pačiu ir krūvininkų gyvavimo trukmę galima keisti žeminant auginimo temperatūrą iki mažiau nei 300°C arba užaugintus sluoksnius papildomai atkaitinant aukštesnėse nei 600°C temperatūrose.
[0032] Pavyzdinė indukuotojo praskaidrėjimo laikinė dinamika GaAs1-xBix sluoksnyje su 6% Bi, užaugintame ant GaAs/AIAs Brego veidrodžio, išmatuota atspindžio režime pateikiama Fig. 4. Atitinkamai indukuotojo praskaidrėjimo priklausomybė nuo kaupinimo pluoštelio vidutinės galios, išmatuota atspindžio režime, pateikiama Fig. 5.
[0033] Naudodamasis aukščiau aprašytu pavyzdžiu, šios srities specialistas gali pasiūlyti ir daugiau skirtingų SESAM konstrukcijų, skirtų veikimui infraraudonosios spinduliuotės bangų ruože, tačiau šio išradimo apsauga turėtų apimti visas SESAM prietaisų variacijas, kur sugėriklio medžiagoje naudojami bismuto atomai, kurie pakelia valentinės juostos energijos lygmenis, darydami mažai įtakos laidumo juostos energijos lygmenų padėčiai, dėl ko praplatėja bangos ilgių intervalas, kuriems gali būti naudojamas aukščiau aprašytas SESAM prietaisas.
1. Įsisotinantis Brego veidrodis, turintis įsisotinantį sugėriklį, sudarytą iš puslaidininkinių tūrinių sluoksnių arba kvantinių duobių, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad sugėriklio sluoksnis yra sudarytas iš puslaidininkinės medžiagos, turinčios bismuto atomų.
2. Įsisotinantis Brego veidrodis pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad sugėriklio medžiaga gali būti GaAsBi, GaAsSbBi ar GalnAsBi.
3. Įsisotinantis Brego veidrodis pagal vieną iš 1-2 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad bismuto atomų procentas GaAsBi sugėriklio medžiagoje yra tarp 5 ir 15 procentų arba kinta tarp bet kurių verčių - nuo 5 iki 15 procentų ruože.
4. Įsisotinantis Brego veidrodis pagal vieną iš 1-3 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas GaAsBi sugėriklis augintas temperatūroje mažesnėje nei 300°C, siekiant padidinti bismuto atomų dalį sugėriklio sluoksnyje.
5. Įsisotinantis Brego veidrodis pagal vieną iš 1-4 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas GaAsBi sugėriklis papildomai atkaitintas aukštesnėje nei 600°C temperatūroje, siekiant padidinti defektų tankį sugėriklio sluoksnyje.
6.·Įsisotinantis Brego veidrodis pagal vieną iš 1-5 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad jis yra pritaikytas veikti viename iš IR lazerinės spinduliuotės generavimo, duomenų perdavimo, IR laikinės skyros spektroskopijos, spinduliuotės impulsų charakterizavimo taikymų.