بهینه سازی عملکرد لیزر نیمه رسانای مبتنی بر AlGaInP با معرفی ساختار موجبری نامتقارن سه گانه اکستریم

نویسنده

دانشگاه گیلان

چکیده
در این مقاله، بهبود عملکرد لیزر نیمه رسانای قرمز مبتنی بر AlGaInP برای اولین بار با معرفی ساختار جدید موجبر نامتقارن سه­گانه­ی اکستریم بررسی شده است. در ساختار موجبر پیشنهادی جدید برای تغییر ساختار یک لیزر متقارن مرسوم، در گام نخست، ضخامت­های لایه­ی موجبر و کلدینگ آلائیده نوع n افزایش یافته است و پس از آن برای طراحی لایه­های کلدینگ و موجبر آلائیده نوعn و p در ساختار لیزر نیمه رسانای قرمز، یک نامتقارنی سه گانه در نظر گرفته شده است. عملکرد ساختار متقارن مرسوم و ساختار جدید نامتقارن سه­گانه­ی اکستریم به‌صورت تئوری در نرم­افزار PICS3D انجام شده است. شبیه­سازی­های سه بعدی انتقال حامل، موجبری نوری و خودگرمایشی به‌صورت خودسازگار در نرم­افزار ترکیب شده اند. نتایج شبیه­سازی حاکی از بهبود قابل‌توجه عملکرد ساختار نامتقارن پیشنهادی جدید در مقایسه با ساختار متقارن مرسوم هستند. دلایل بهبود عملکرد لیزر در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که استفاده از ساختار جدید منجر به کاهش همپوشانی مد اپتکی با نواحی با آلایش بالا می گردد. از طرف دیگر با کاهش جریان نشتی الکترون ها، افزایش در آهنگ بازترکیب القایی رخ می دهد که این منجر به کاهش جریان آستانه، افزایش توان خروجی می گردد. با کاهش مقاومت سری و افزایش پایداری حرارتی ساختار پیشنهادی جدید، بهینگی این ساختار تایید می گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Optimization of AlGaInP-based semiconductor laser performance by introducing extreme triple asymmetric waveguide structure

نویسنده English

Zahra Danesh Kafroudi
University of guilan
چکیده English

In this paper, for the first time, improved lasing performance of a red AlGaInP laser diode is demonstrated by introducing a new extreme triple asymmetric waveguide structure. In the new proposed waveguide structure, at the first step, n-waveguide and n- cladding layer thicknesses are increased, and then a triple asymmetry is introduced on the design of the n-type and p-type cladding and waveguide layers inside the red laser diode structure. The conventional symmetric and the new extreme triple asymmetric laser structures performances are theoretically investigated using simulation software PICS3D. 3D simulations of carrier transport, optical waveguiding and self-heating are combined self-consistently in the software. Numerical results show that the new proposed structure performance is significantly improved in comparison to the conventional symmetric structure. The reasons of improvements are discussed in this investigation. The simulation results show that the use of the new structure reduces the overlap of the optical mode with of high doping regions. On the other hand, by reducing the electron leakage current, an increase in the stimulated recombination rate occurs, which leads to a decrease in the threshold current and an increase in the output power. By reducing the series resistance and increasing the thermal stability of the new proposed structure, the optimality of this structure is confirmed.

کلیدواژه‌ها English

AlGaInP-based laser diode
Simulation
Power
Threshold current
extreme triple asymmetric waveguide
PICS3D
Frevert C., "Optimization of broad-area GaAs diode lasers for high powers and high efficiencies in the temperature range 200-220 K", Doctoral thesis (2018).
Hiroyama R., Inoue D., Kameyama S., Tajiri A., Shono M., Sawada M. , Ibarak A., "High-Power 200mW 660nm InGaAlP Laser Diodes with Low Operating Current", Jpn. J. Appl. Phys., 43, No. 4B (2004) 1951- 1955. [DOI:10.1143/JJAP.43.1951]
Ryvkina B. S., Avrutinb E. A., "Asymmetric, nonbroadened large optical cavity waveguide structures for high-power long-wavelength semiconductor lasers", J. Appl. Phys., 97, (2005) 123103 . [DOI:10.1063/1.1928309]
Buda M., Roer van de T. G., Kaufmann L. M. F., Iordache Gh., Cengher D., Diaconescu D., Petrescu-Prahova I. B., Haverkort J. E. M., Van der Vleuten W., Wolter J. H., "Analysis of 6-nm AlGaAs SQW low-confinement laser structures for very high-power operation", IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 3, (1997) 173-179. [DOI:10.1109/2944.605652]
Ryvkina B. S., Avrutinb E. A., "Improvement of differential quantum efficiency and power output by waveguide asymmetry in separate-confinement-structure diode lasers", IEE Proceedings - Optoelectronics, 151, (2004) 232-236. [DOI:10.1049/ip-opt:20040633]
Crump P., Erbert G., Wenzel H., Frevert C., Schultz C. M., Hasler K. H., StaskeR., Sumpf B., Maaßdrof A., Bugge F., Knigee, S. , Trankle G., "Efficient High-Power Laser Diodes", IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 19 (2013) 1501211-1501211. [DOI:10.1109/JSTQE.2013.2239961]
Edwards Rees P.," Characterisation of the waveguide dependence of optical mode loss in semiconductor lasers", Doctoral thesis, Cardiff University (2017).
Koziol Z., Matyukhin S. I., "The effects of multiply quantum wells (MQW) on optical and electrical characteristics of AlGaAs lasers with separate confinement heterostructures (SCH)", https://www.researchgate.net/publication/51934551 (2011).
Available online at www.crosslight.com.
Xia M., Ghafouri Shiraz H.," Analysis of carrier heating effects in quantum well semiconductor optical amplifiers considering holes' Non-parabolic density of states", Optic. Quantum Electron. 47 (2015) 1847-1858. [DOI:10.1007/s11082-014-0049-2]
Hsieh D. H., Tzou A. J., Kao T. S., Lai F. I., Lin D. W., Lin B. C., Lu T. C., Lai W. C.,Chen C. H. , Kuo H. C., "Improved carrier injection in GaN-based VCSEL via AlGaN/GaN multiple quantum barrier electron blocking layer", Optic. Express, 23 (2015) 27145. [DOI:10.1364/OE.23.027145] [PMID]
Piprek J., "Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation", Academic Press San Diego, (2003). [DOI:10.1016/B978-0-08-046978-2.50026-0]
Martin O. J. F., Bona G.-L., Wolf P., "Thermal Behavior of Visible AlGaInP-GaInP Ridge Laser Diodes", IEEE J. Quantum Electron, 11, (1992) 2582-2588. [DOI:10.1109/3.161317]
Dumitrescu M. , Toivonen M. , Savolainen P., Orsila S. , Pess M.a, "High-power edge emitting red laser diode optimisation using optical simulation",
Opt. Quantum Electron, 31 (1999) 1009-1030. [DOI:10.1023/A:1007076928803]
Hiroyama, R., Inoue, D., Kameyama, S., Tajiri, A., Shono, M., Sawada, M., Ibaraki, A., "High-Power 200mW 660nm AlGaInP Laser Diodes with Low Operating Current", Jpn. J. Appl. Phys, 43, (2004)1951-1955. [DOI:10.1143/JJAP.43.1951]
H. Sumitomo, S. Kajiyama, H. Oguri, T. Sakashita, K. Nakao, Y.Yamamoto, T. Kita, T. Komatani, H. Kawakubo, M. Ono, and S. Izumi,"High-Power Short-Cavity AlGaInP Laser Diodes", Technical Review, 70,(2010) 79-83.
Xiang L., Degang Z., Desheng ., Ping C., Zongshun L., Jianjun Z.," Suppression of electron leakage in 808 nm laser diodes with asymmetric waveguide layer ", J. Semicond., 37 (2016) 014007. [DOI:10.1088/1674-4926/37/1/014007]
Zhang Y., "Self-heating control of edge emitting and vertical cavity surface emitting lasers", Doctoral Dissertation, University of Central Florida ,(2014).
Hallman L. W. , Ryvkin B. S. , Avrutin E. A. , Aho A. T. , Jukka V. , Juhat M. G. , Kostamovaara T. , "High Power 1.5µm Pulsed Laser Diode with Asymmetric Waveguide and Active Layer Near p-cladding", IEEE Photon. Tech. Let.: 31, (2019) 1635-1638. [DOI:10.1109/LPT.2019.2940231]
Kaul T., Erbert G., Maaßdorf A., Martin D. , Crump P., "Extreme triple asymmetric (ETAS) epitaxial designs for increased efficiency at high powers in 9xx-nm diode lasers", Conference: High-Power Diode Laser Technology XVI (2018). [DOI:10.1117/12.2288284]