Electro-optical Modeling of High Power Semiconductor Laser for 800 nm Emission with an InGaAsP / GaAs / InGaP Quantum Heterostructure

We present the electrical-optical modeling of a high power semiconductor laser diode for emission at 800 nm wavelength. We describe a thoroughly detailed procedure for modeling the semiconductor laser device with a Separate Confinement Heterostructure (SCH), based on the material alloys of III-V compounds families, InGaAsP/InGaAsP/InGaP on GaAs substrates. The heterostructure active region produces a peak emission at 0.8 nm. The SCH heterostructure comprises a quantum well 100 Å thick of InxGa1-xAsyP1-y (x = 0.14, y = 0.73) alloy. The quantum barriers layers comprise quaternary materials of composition InxGa1-xAsyP1-y (x = 0.39, y = 0.2). The confining layers of the quaternary SCH heterostrucure involve higher gap materials, such as ternary InGaN or quaternary AlGaInP. Band gaps of quaternary materials in the well and confining layers of the SCH heterostructure correspond to wavelengths of 0.8 μm (Eg = 1.55 eV) and 0.69 μm (Eg = 1.8 eV), respectively. Keywwords— Semicondutor lasers, quantum heterostrtures, III-V compounds and alloys, optoelectronics, high power lasers. I. INTRODUÇÃO1 ASERS semicondutores de alta potência com emissão na faixa espectral de 800 − 1120 nm apresentam uma ampla gama de aplicações em diversos produtos comercializados, tais como impressoras, equipamentos médicos, processamento industrial de materiais, e bombeamento de amplificadores ópticos em enlaces de telecomunicações de longas distâncias [1-4]. Neste trabalho, apresentamos a descrição detalhada sobre a modelagem de um dispositivo laser semicondutor com a heteroestrutura de confinamento separado SCH (Separate Confinement Heterostructure), das ligas de materiais compostos III-V de InGaAsP/InGaAsP/InGaP,normalmente crescidas sobre substratos de GaAs. A região ativa da heteroestrutura produz um pico de emissão em torno de 0,8 μm. A heteroestrutura SCH contém um poço quântico da liga do material quaternário InxGa1-xAsyP1-y (x = 0.14, y = 0,73) de 300 Å de espessura. As barreiras do poço quântico são formadas por camadas quaternárias de InxGa1-xAsyP1-y (x = 0,39, y = 0,2). Estas por sua vez, situam-se entre duas camadas ternárias confinantes de InGaP. A banda proibida M. T .Furtado, Departamento de Semicondutores, Instrumentos e Fotônica, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Estadual de Campinas, Brasil, mfurtado@dsif.fee.unicamp.br e Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas, Brasil, mario.furtado@cti.gov.br. E. Moschim, Departamento de Semicondutores, Instrumentos e Fotônica, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Estadual de Campinas, Brasil, moschim@dsif.fee.unicamp.br (gap) dos materiais quaternários do poço quântico e das barreiras da heteroestrutura SCH à temperatura ambiente correspondem aos seguintes comprimentos de onda de emissão: 0,8 μm (Eg = 1,55 eV) e 0,69 μm (Eg = 1,8 eV), respectivamente. Na seção 2, apresentamos os cálculos necessários para determinar as transições ópticas no poço quântico da heteroestrutura quaternária SCH, doravante denominada InGaAsP/InGaAsP. A seção 3 descreve o procedimento o para determinar o ganho óptico do material na heteroestrutura SCH. Os principais resultados dessa seção abrangem a concentração de portadores na transparência, e a dependência do ganho óptico em função da concentração de portadores e temperatura, respectivamente. Na seção 4, são apresentados os cálculos dos espectros de emissão espontânea em função da concentração de portadores e da temperatura. Tais resultados possibilitaram a modelação das propriedades eletro-ópticas do dispositivo laser semicondutor com expressões analíticas simplificadas. Na seção 5, determina-se a corrente limiar no dispositivo laser semicondutor em função de suas propriedades ópticas e geométricas. As seções 6 e 7 apresentam as características de luz-corrente do dispositivo laser semicondutor, operando no modo pulsado e contínuo, respectivamente. Na seção 8, calcula-se a potência óptica emitida pelo dispositivo laser no modo contínuo. Neste último caso inserem-se as refletividades dos espelhos na cavidade óptica e as resistências térmicas dos materiais que constituem o bloco laser, solda e dissipador térmico. Na seção 9 apresentamos a conclusão. II. CÁLCULO DAS TRANSIÇÕES ÓPTICAS DO POÇO QUÂNTICO DE INGAASP/ INGAASP Os níveis de energia do elétron na banda de condução determinam-se com a equação transcendental de autovalores permitidos, derivadas da equação de Schrödinger independente do tempo [5,6]. Num um poço de potencial constante com barreiras finitas, utiliza-se a seguinte expressão [7]:       = − Δ  2 2 cn cw