14.2 Особенности полупроводниковых лазеров
Первая особенность полупроводников как активных материалов для лазеров — исключительно высокие значения коэффициентов усиления с единицы длины. Следствием этого является возможность (а часто и необходимость) применения активных элементов весьма малых размеров. Так, при α ω ≈ 10 2 ÷ 10 3 см -1 длина активной области должна составлять 20 ÷ 2000, а ширина (чтобы исключить развитие усиления в поперечных направлениях) — единицы микрометров.
Вторая важная особенность полупроводников как лазерных материалов — возможность непосредственного преобразования электрической энергии в световую. Эта особенность реализуется только в инжекционных лазерах.
Отмеченные особенности определяют известные преимущества полупроводниковых лазеров[16, 6]: малые габариты, мгновенная готовность к работе, низкие рабочие напряжения, надежность, совместимость с полупроводниковой интегральной технологией, экономичность, низкая стоимость, возможность осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока.
В создании инверсной населенности в полупроводниковых лазерах участвуют состояния, определенные по всему кристаллу и описываемые блоховскими волновыми функциями. Поскольку свободный электрон в зоне проводимости и дырку в валентной зоне нельзя «привязать» к какому-то определенному узлу решетки как активному центру, то обычное условие инверсии в полупроводниках трансформируется в условие
F n * − F p * > E g ,
где F n * , F p * — квазиуровни Ферми для электронов и дырок; E g — ширина
запрещенной зоны полупроводника. Для выполнения данного условия необходимо, чтобы концентрации неравновесных носителей заряда в активной области были достаточно высоки.
Как и в других генераторах, в полупроводниковых лазерах недостаточно получить только усиление внутри активной области. Необходимо, чтобы это усиление превысило все потери. В полупроводниках с непрямой структурой зон выполнить эти условия весьма сложно, а иногда и вовсе невозможно. Поэтому полупроводниковые лазеры (в отличие от светодиодов) изготавливают только на основе прямозонных материалов. Излучательные времена жизни в них малы и имеют порядок 1 нс и менее, уменьшаясь с ростом концентрации свободных носителей. Поэтому для получения концентрации неравновесных носителей на уровне 10 18 см -3 необходимо в активном объеме осуществлять генерацию электронно-дырочных пар со скоростью не менее 10 27 см -3 с -1 , т. е. при толщине активного слоя всего 1 мкм плотность потока возбуждения должна быть не менее 10 23 см -2 с -1 . При возбуждении такого активного слоя (например, фотонами) необходима мощность возбуждения более 10 23 фотонов на см -2 в секунду, что для λ ≈ 1 мкм составляет Р возб ≥ 20 кВт/см 2 . При возбуждении путем инжекции неравновесных носителей заряда через р-n — переход этому уровню возбуждения соответствует плотность тока порядка 2 10 4 А/см 2 . Эти значения хотя и велики, но реально достижимы, в частности в гетероструктурах.
Широкое применение гетероструктур в оптической электронике определяется эффектами:
1) односторонней инжекции;
3) широкозонного «окна»;
Эффекты односторонней инжекции и «сверхинжекции» подробно рассмотрены в разделе 6.1. Эффект широкозонного «окна» позволяет с минимальными потерями вывести излучение, генерируемое в области p-n -гетероперехода, через его широкозонную часть. Волноводный эффект состоит в следующем.
Вследствие разницы показателей преломления материалов, составляющих гетеропереход, происходит отражение света от гетерограницы. Как правило, показатель преломления узкозонного материала больше, чем широкозонного. Поэтому световые лучи, распространяющиеся в узкозонной части под малыми углами к гетерогранице, будут испытывать полное внутреннее отражение. Если узкозонная активная область расположена между двумя широкозонными областями, то световое излучение в ней может распространяться так же, как в волноводе.
Возбуждение люминесценции в полупроводнике электрическим полем может быть осуществлено также с помощью процессов туннелирования через слой изолятора или ударной ионизации в сильных электрических полях [16, 6], однако инжекционные лазеры с p-n — переходом являются наиболее важными из всех полупроводниковых лазеров.
14.3 Инжекционные лазеры
14.3.1 Лазеры на гомопереходах и гетероструктурах
Базовая структура лазера с p-n — переходом показана на рис. 14.5 [16, 6]. Две боковые грани структуры скалывают по плоскостям спайности или полируют строго перпендикулярно плоскости перехода; эти грани образуют резонатор Фабри — Перо. Две другие грани — в плоскости (x, z) — делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Смещение р-n — перехода в прямом направлении приводит к инжекции неосновных носителей заряда — электронов в p-область, а дырок в n-область. В результате вблизи р-n — перехода образуется активный слой, в котором происходит излучательная рекомбинация. В случае вырожденного перехода при большой плотности тока (большое смещение) в активном слое реализуется условие инверсии (14.7), и возникает стимулированное излучение.
Для эффективного взаимодействия света с активной средой требуется локализовать в активном слое и неравновесные носители заряда, и фотоны. В обычном р-n — переходе, изготовленном, например, путем диффузии акцептора в n-GaAs, это требование реализуется далеко не оптимальным образом. Поэтому лазеры на гомопереходах обладают плохими рабочими характеристиками, в частности — очень высокими значениями пороговой плотности тока (выше 50 кА/см 2 ). Из-за большого тепловыделения такие лазеры могут работать лишь в импульсном режиме и при низких температурах.
Рисунок 14.5 — Основная лазерная структура с p-n — переходом: 1 — омические контакты; 2 — n-область; 3 — активный слой;
4 — p-область; 5 — оптический выход
Локализацию и совмещение электронного и светового потоков проще осуществить в двойных гетероструктурах (ДГС), активная область в которых представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника между двумя широкозонными n- и р-областями, выполняющими функции эмиттеров. За счет волноводного эффекта, а также эффектов односторонней инжекции и сверхинжекции в активной области двойной гетероструктуры можно создать благоприятные условия для получения инверсной населенности, локализовать электронный и световой потоки и совместить их. Свет и носители, удерживаемые в активном слое, эффективно взаимодействуют, благодаря чему пороговый уровень накачки (пороговая плотность тока) существенно уменьшается.
Если в направлении x модовое ограничение достигается просто уменьшением толщины активной области, то в поперечном направлении y в ДГС-лазере ограничения нет, поскольку ширина активной области значительно превышает длину волны. Это приводит к появлению большого числа волноводных мод, которые взаимодействуют друг с другом, создают биения и неустойчивости, зависящие от плотности тока накачки. Кроме того, при больших значениях плотности тока в ДГС-лазерах возможно появление токовых неустойчивостей, связанных с эффектами шнурования, локального нагрева и т. п. Набор всех этих причин приводит к появлению характерных изломов или «колен» на ватт-амперной характеристике лазера Ф ω (J), к возрастанию шума и к неустойчивой его работе.
Простейшим способом ограничения ширины активной области в плоскости p-n — перехода является создание омического контакта не по всей площади, а в виде узкой полоски. Такая полоска шириной от единиц до десятков микрон может быть изготовлена обычными методами фотолитографии. Полосковая конструкция обеспечивает уменьшение рабочего тока (при неизменном J пор ), эффективную селекцию поперечных мод в направлении, параллельном p-n — переходу, и устойчивую работу лазера.
На рис. 14.6 показаны две более сложных структуры полосковых лазеров [16, 6]. В первом случае (рис. 14.6, а) полосковая геометрия создается путем бомбардировки протонами всей площади гетероструктуры, за исключением контактной области. Бомбардировка производится на ускорителе на глубину, немного не доходящую до активного слоя. Облучение протонами создает дефекты в материале, в результате чего эта область становится высокоомной и рабочий ток идет только через необлученную полоску. Во втором случае (рис. 14.6, б) узкая полоска формируется вытравливанием мезаструктуры и ее последующим заращиванием широкозонным твердым раствором Al x Ga 1-x As n- типа. В этом случае, как нетрудно убедиться, обеспечивается как электронное, так и оптическое ограничение по двум координатам.
Рисунок 14.6 — Варианты структуры ДГС-полосковых лазеров:
1 — металлический контакт; 2 — p-GaAs(Ge); 3 — P-AlGaAs(Ge); 4 — GaAs; 5 — N-AlGaAs(Te); 6 — n-GaAs(Te); 7 — высокоомные области;
8 — окисный слой; 9 — AlGaAs(Te)
14.3.2 Раздельное электронное и оптическое ограничение
Для уменьшения рабочего тока ДГС-лазера необходимо уменьшать толщину активной области d. Однако при d < λ/n этому препятствует увеличение потерь, вызванных просачиванием света в низкоомные Р + — и N- области эмиттеров, и уменьшение коэффициента удержания света ξ [16, 6]. Чтобы уменьшить оба этих эффекта, желательно разделить области электронного и оптического ограничения, поместив сверхтонкий активный слой толщиной d << λ внутрь более толстого слоя толщиной D ≈ λ/n. Ширина запрещенной зоны области, осуществляющей оптическое ограничение, должна быть больше, чем активного слоя.
При пропускании тока в прямом направлении электроны и дырки из широкозонных N- и Р-эмиттеров инжектируются в прилегающие к ним области аналогично тому, как это происходит в ДГС-лазере. Толщина D примерно такая же, как активной области ДГС-лазера, т. е. D ≈ λ/(2n). Этот слой играет двоякую роль. Во-первых, он является оптическим волноводом и осуществляет оптическое ограничение. Во-вторых, он служит своего рода
резервуаром для неравновесных носителей, откуда они поступают в активную область толщиной d << λ. Локализация носителей в слое D увеличивает вероятность их захвата в область d. Учитывая, что при генерации время жизни неравновесных носителей в активной области резко уменьшается за счет вынужденных переходов, последнее обстоятельство является достаточно важным .
Для успешной работы ДГС-лазера с раздельным ограничением (РО) уменьшение ξ при уменьшении d должно компенсироваться ростом показателя усиления α ω в активном слое.
В современных лазерах в качестве активной области, где происходит накопление и последующая излучательная рекомбинация неравновесных электронов и дырок, используются квантоворазмерные структуры: квантовые ямы и квантовые точки. Их применение дает целый ряд существенных преимуществ, связанных, прежде всего, с особенностями электронного спектра и функции плотности состояний. Ступенчатый вид функции плотности состояний для двумерного электронного газа в квантовой яме уменьшает тепловое «размытие» в распределении носителей по энергии и облегчает достижения условий инверсии. Коэффициент усиления в максимуме возрастает, а температурная зависимость пороговой плотности тока ослабевает. В еще большей мере это проявляется для квантовых точек, где электронный спектр и функция плотности состояний имеют атомноподобный вид. Если расстояние между дискретными уровнями размерного квантования в квантовых точках меньше kT, то температура вообще не должна влиять на пороговую плотность тока накачки (при условии, что с увеличением температуры не уменьшается квантовый выход люминесценции).
Таким образом, применение квантоворазмерных структур в активной области РО ДГС-лазеров позволяет:
1) уменьшить пороговую плотность тока накачки;
2) ослабить температурные зависимости;
3) увеличить коэффициент усиления с единицы длины активной области;
4) улучшить спектральные характеристики.
Все это приводит к тому, что рабочие характеристики РО ДГС-лазеров с активной областью в виде одной или нескольких квантовых ям превосходят характеристики обычных ДГС-лазеров. В частности, пороговая плотность тока накачки J пор при комнатной температуре снижается до значений 100 ÷ 300 А/см 2 , уменьшаясь почти на порядок по сравнению с ДГС-лазерами.
По ряду причин в активной области гетеролазеров иногда целесообразно использовать квантоворазмерные слои с внутренними напряжениями сжатия или растяжения. При толщинах таких слоев меньше некоторой критической величины в них не образуются дислокации несоответствия и другие дефекты как в самом слое, так и на гетерограницах. Использование напряженных слоев позволит, во-первых, значительно расширить круг материалов, поскольку требования к величине рассогласования параметров решетки Δа/а значительно смягчаются. Во-вторых, варьируя величиной рассогласования Δа, возможно изменять внутренние напряжения в слое и тем самым менять параметры зонной структуры материала, в частности — параметры валентной зоны. Это дает возможность, например, подавить процессы безызлучательной Оже-рекомбинации дырок.
Для улучшения рабочих характеристик лазера необходимо ограничивать размеры активной области в поперечном направлении, т. е. создавать полосковые структуры. Полосковые РО ДГС-лазеры обладают наименьшими значениями порогового тока накачки, который может составлять всего несколько мА, т. е. быть даже меньше рабочего тока стандартного светодиода.
Для повышения мощности излучения РО ДГС-лазера возможно использовать не один слой, а серию квантоворазмерных структур в пределах одной области D, определяемой условием оптического ограничения. При
числе слоев не больше шести состояния в них примерно соответствуют состояниям в одиночной квантовой яме.
14.3.3 Распределенная обратная связь
В инжекционных лазерах с распределенной обратной связью торцевые зеркала отсутствуют, но одна из гетерограниц активного слоя (волновода) гофрирована, т. е. представляет собой дифракционную решетку (см. рис. 14.7). Период решетки b должен удовлетворять условию Вульфа — Брэгга:
где λ — длина световой волны в активном слое с показателем преломления n; θ — угол между нормалью к плоскости решетки и оптической осью резонатора; m = 1, 2, 3, … — порядок дифракции.
Рисунок 14.7 – Схема резонатора с распределенной обратной связью: 1 — P-AlGaAs(Ge); 2 — p-GaAs (активный слой); 3 — N-AlGaAs(Te)
Если период решетки b = λ/(2n), то волна рассеивается назад, чем и создается распределенная обратная связь. Для решеток высшего порядка (с m ≥ 2), кроме отражения вперед и назад, возможно рассеяние под дискретными углами к плоскости волновода. Так, для решетки с m = 2 волна будет рассеиваться назад под углом 180°, обеспечивая обратную связь во втором порядке дифракции, и перпендикулярно плоскости решетки в первом порядке. Для решетки с m = 3 волна рассеивается назад в третьем порядке дифракции и под углами 60 и 120° в первом и втором порядках.
Таким образом, в активном слое волновода распространяются навстречу друг другу как минимум два колебания с одинаковой длиной волны. По мере того как одна из двух волн распространяется вдоль резонатора (вдоль оси z), за счет дифракции она получает энергию от волны, распространяющейся в противоположном направлении, что определяет взаимодействие волн и создает положительную обратную связь, распределённую по всей длине периодической структуры. Для получения оптимальной связи должна быть подобрана толщина активного слоя d.
При наличии нескольких типов колебаний в резонаторе, т. е. нескольких волноводных мод, из-за их возможного взаимодействия общая картина излучения может значительно усложняться.
Для лазеров с распределенной обратной связью характерны простота работы в одномодовом режиме и температурная стабильность спектральных характеристик. Температурный сдвиг спектра излучения обычного гетеролазера обусловлен, в основном, изменением ширины запрещенной зоны, а лазера с распределенной обратной связью — более слабым изменением показателя преломления.
В случае арсенид-галлиевого лазера период b для дифракционной решетки, работающей в первом порядке, должен быть около 0,13 мкм. Решетки со столь малым периодом создаются методом литографии, изображение в слое фоторезиста может быть сформировано за счет интерференции лазерных пучков.
Для улучшения характеристик лазера активная область может быть выполнена из нескольких слоев с использованием электронного и оптического ограничения. Такие лазеры дают возможность осуществлять эффективный ввод излучения в оптический волновод и могут с успехом применяться в интегральной оптике [16, 6].
XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021
В данной работе будет рассмотрен принцип работы, устройство, область применения и типы полупроводниковых лазеров.
Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров — одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.
Лазер (1) (от англ. laser , акроним о l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation «усиление света посредством вынужденного излучения »), или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки ( световую , электрическую , тепловую , химическую и др.) в энергию когерентного , монохроматического , поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Полупроводник (2)— материал , по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками , и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения . Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниковый лазер (3) — твердотельный лазер , в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник . В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучаемые переходы не между уровнями энергии атомов , молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или около зон кристалла .
Рис.1- Лазер (оптический квантовый генератор).
Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют другой принцип работы.
Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (4).
Conduction band — зона проводимости, valence band — валентная зона, pumping — накачка, light emission — излучение света.
Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро перемещаются в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости перемешиваются с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Количественное описание основывается на распределении Ферми-Дирака для электронов в обеих зонах.
Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители появляются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутри зонные переходы.
Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются (5):
GaAs (арсенид галлия)
AlGaAs (арсенид галлия — алюминия)
GaP (фосфид галлия)
InGaP (фосфид галлия — индия)
GaN (нитрид галлия)
InGaAs (арсенид галлия — индия)
GaInNAs (арсенид — нитрид галлия индия)
InP (фосфид индия)
GaInP (фосфид галлия — индия)
Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Для трех и четырехкомпонентных проводников энергия запрещенной зоны может непрерывно существенно изменяться в некотором диапазоне. В AlGaAs = AlxGa1-xAs, например, повышение содержание алюминия (рост х) приводит к уширению запрещенной зоны.
Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны. До сих пор были продемонстрированы органические полупроводниковые лазеры только с оптической накачкой, так как по разным причинам трудно достичь высокой эффективности за счет электрической накачки.
Рис.4- Процесс возникновения усиления в полупроводниках.
Рис.5- Основные материалы для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств).
Существует большое разнообразие различных полупроводниковых лазеров, охватывающих широкие области параметров и используемые в различных областях применений. Можно создать полупроводниковый лазер с практически любой длиной волны. Он будет находиться в диапазоне от ближнего УФ излучения до ближнего ИК излучения. Так же существует стандартный набор длин волн, лазеров, оптимизированный для различных применений.
*УФ- ультрафиолетовое излучение.
*ИК- инфракрасное излучение.
Т ипы полупроводниковых лазеров:
• Небольшие лазерные диоды порядка нескольких милливатт (или до 0,5 Вт) выходной мощности в пучке, с высоким качеством пучка. Они используются в лазерных указках, проигрывателях компакт-дисков и для оптической волоконной связи. (Рис.6→)
• Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором (ECDL — External cavity diode lasers) содержат лазерный диод в качестве активной среды в более длинном лазерном резонаторе. Зачастую они могут быть перестраиваемыми по длине волны, и обладать узкой линией излучения.
• В монолитных лазерных диодах, а также в лазерах ECDL (с внешним резонатором) малой мощности также может быть осуществлена синхронизация мод для получения сверхкоротких импульсов.
• Большое количество лазерных диодов способны генерировать до нескольких ватт выходной мощности, но качество пучка уже будет значительно хуже.
• Мощные диоды объединяют в массив с большой площадью излучающей области. Они могут генерировать десятки ватт излучения, но с плохим качеством пучка.
• Диодные линейки, содержащие множество диодов, объединяют один массив и используют их для получения чрезвычайно высоких степеней мощности порядка сотен или тысяч ватт. (Рис.7→)
• Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs), излучают в направлении, перпендикулярном пластине, обеспечивая несколько милливатт мощности с высоким качеством пучка.
• Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs) с оптической накачкой и внешним резонатором (VECSELs) способны генерировать несколько ватт выходной мощности с отличным качеством пучка, даже в режиме синхронизации мод.
• Квантово-каскадные лазеры работают на внутризонных переходов (а не межзонных переходах) и, как правило, излучают в средней инфракрасной области, иногда терагерцового диапазона. Они используются в спектроскопии для газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д.
Д ля получения лазерного излучения с узкой спектральной линией используются лазеры с встроенным Брэгговским отражателем (DBR и DFB лазеры), или с внешним резонатором. (Рис.8→)
Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. Полупроводниковые лазеры. Москва: "Наука", 1976. – 416 с.
Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: Учеб. пособие по спец. «Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.
Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. — Москва: Мир, 1980. -540 с.
Материалы квантовой электроники : Учебное пособие для втузов / Н. Г. Рябцев ; Ред. Е. А. Верный . – М. : Советское радио, 1972 . – 384 с.
диодный лазер, интегральный диодный лазер и интегральный полупроводниковый оптический усилитель
Диодный лазер включает гетероструктуру, которая содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания. Гетероструктура характеризована отношением показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты. На определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя. Толщина слоев гетероструктуры находится в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения. Интегральный диодный лазер представляет собой комбинацию интегрально соединенных диодных лазеров, размещенных вдоль оптической оси распространения лазерного излучения. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель включает интегрально соединенные задающий диодный лазер и полупроводниковый усилительный элемент. Интегральная связь в устройствах осуществляется через область втекания излучения. Технический результат заключается в снижении плотности пороговых токов генерации, улучшении стабильности модовой генерации, увеличении мощности лазерного излучения и прочности глухих отражателей резонатора. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Формула изобретения
1. Диодный лазер, включающий расположенную на подложке гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также активную область с протекающим током при работе диодного лазера, оптические грани, оптический резонатор с отражателями, омический контакт, отличающийся тем, что гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры по крайней мере до активного слоя, со стороны, противоположной стороне вывода излучения, посредством нанесения на оптическую грань, примыкающего по крайней мере к активному слою отражающего покрытия сформирован отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения близким к единице, со стороны вывода излучения на части оптической грани, примыкающей к области втекания, имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, и с той же стороны вывода излучения посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия сформирован с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, отражатель оптического резонатора, примыкающий к активному слою и к размещенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.
2. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что дельта близка к нулю.
3. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что упомянутый отражатель, сформированный со стороны вывода излучения, размещен от наружного слоя гетероструктуры до примерно слоя втекания, входящего в область втекания, расположенную со стороны подложки.
4. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что со стороны вывода излучения антиотражающее покрытие имеется на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.
5. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что со стороны, противоположной стороне вывода излучения, высота отражателя оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, равна толщине гетероструктуры.
6. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что указанные ограничительные области излучения размещены на определенном расстоянии от боковых сторон активной области с протекающим током, а показатели преломления ограничительных областей выбраны меньше эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры.
7. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что указанные ограничительные области излучения размещены вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры со стороны подложки.
8. Интегральный диодный лазер, представляющий собой комбинацию интегрально соединенных лазеров, размещенных вдоль оптической оси распространения лазерного излучения, изготовленных из одной и той же гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений, содержащий по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также по крайней мере два оптических резонатора с отражателями и по крайней мере две активные области с протекающим током при работе интегрального диодного лазера, омические контакты, расположенные на одной оси оптические грани и отражатели резонатора, причем гетероструктура характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы и гамма больше дельты, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя; со стороны вывода излучения на части оптической грани, примыкающей к области втекания, имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю; при этом каждый оптический резонатор ограничен отражателями, сформированными посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия, имеющими коэффициенты отражения лазерного излучения, близкие к единице, и примыкающими к активному слою и к размещенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, причем интегральная связь оптических резонаторов осуществляется через область втекания гетероструктуры.
9. Интегральный диодный лазер по п.8, отличающийся тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна активная область с протекающим током, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой.
10. Интегральный диодный лазер по п.9, отличающийся тем, что размещенная на стороне, противоположной стороне вывода излучения, начальная часть длины расширяемой активной области выполнена одинаковой по ширине с предшествующей активной областью в предшествующем диодном лазере.
11. Интегральный диодный лазер по п.9, отличающийся тем, что для указанной расширяемой активной области с протекающим током отражатель с высоким коэффициентом отражения лазерного излучения выполнен с шириной, примерно равной ширине начальной части расширяемой активной области.
12. Интегральный диодный лазер по п.8, отличающийся тем, что по крайней мере две активные области интегрального диодного лазера имеют автономные омические контакты.
13. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель, включающий интегрально соединенные через область втекания гетероструктуры задающий диодный лазер и полупроводниковый усилительный элемент, размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты, кроме того, в задающий диодный лазер включены активная область с протекающим током при его работе, ограничительные области излучения, расположенные с обеих боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели, а в полупроводниковый усилительный элемент включена по крайней мере одна область усиления с протекающим током при его работе с просветляющим покрытием на выводной оптической грани, отличающийся тем, что гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током задающего диодного лазера размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры по крайней мере до активного слоя; оптический резонатор задающего диодного лазера ограничен отражателями, сформироваными посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия, имеющими коэффициент отражения лазерного излучения близким к единице, при этом отражатель задающего диодного лазера, граничащий с активной областью усиления полупроводникового усилительного элемента, выполнен примыкающим к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, и просветляющее покрытие на выводной оптической грани полупроводникового усилительного элемента выполнено с коэффициентом отражения, близким к нулю.
14. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что по крайней мере одна область усиления с протекающим током выполнена расширяемой.
15. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.14, отличающийся тем, что начальная часть длины расширяемой области усиления с протекающим током выполнена одинаковой по ширине с предшествующей активной областью задающего диодного лазера.
16. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что упомянутая активная область и упомянутая область усиления имеют автономные омические контакты.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к ключевым компонентам оптоэлектронной техники -компактным, эффективным и мощным источникам лазерного излучения в широком диапазоне длин волн, с высоким качеством излучения, а именно к диодному (полупроводниковому, инжекционному) лазеру; к интегрально соединенным по оси диодным лазерам (далее интегральный диодный лазер), а также к интегрально соединенным по оси задающему диодному лазеру и полупроводниковому усилительному элементу (далее интегральный полупроводниковый оптический усилитель).
Предшествующий уровень техники
Диодные лазеры с повышенной мощностью излучения и с улучшенным качеством лазерного луча известны из следующих изобретений: [US Patent 4063189, XEROX CORP. (US), 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H], [RU Патент 2197048, ШВЕЙКИН В.И, ГЕЛОВАНИ В.А., 18.02.2002, H01S 5/32].
Наиболее близким по технической сущности и получаемому техническому результату является предложенный в патенте [RU Патент 2278455, ШВЕЙКИН В.И., 17.11.2004, H01S 5/32] инжекционный (далее диодный) лазер-прототип, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Гетероструктура содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированных по крайней мере из одного подслоя и имеющих показатели преломления, меньшие, чем эффективный показатель преломления гетероструктуры n эф . Также гетероструктура содержит прозрачную для излучения область втекания излучения. Область втекания, по крайней мере одна, расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, по крайней мере с одной стороны активного слоя. Область втекания включает: слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n вт и состоящий по крайней мере из одного подслоя; по крайней мере один локализующий слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя; основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n вт слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою; с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя. Коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых для работающего диодного лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов. Отношение n эф /n вт в области пороговых токов лазерной генерации определено из интервала значений от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где величина гамма определяется числом, меньшим дельта. В конструкции инжекционного лазера, рассмотренной в примере, соответствующем фиг.5 (см. [RU Патент 2278455, ШВЕЙКИН В.И. 17.11.2004, H01S 5/32]), активная область с протекающим током при работе диодного лазера выполнена в виде мезаполоски.
Основными достоинствами диодного лазера-прототипа являются увеличение выходной мощности лазерного излучения, увеличение размера излучающей площадки в вертикальной плоскости с соответствующим уменьшением угловой расходимости излучения. В то же время диодный лазер-прототип ограничивает дальнейшее увеличение выходной мощности при одновременном и существенном повышении качества лазерного излучения. Кроме того, известный диодный лазер-прототип не позволяет реализовать интегрально соединенные по оси диодные лазеры — интегральный ДЛ (далее ИДЛ) и интегрально соединенные по оси задающий диодный лазер (далее ЗДЛ) с полупроводниковым усилительным элементом (далее ПУЭ) — интегральный полупроводниковый оптический усилитель (далее ИПОУ).
Аналоги, прототип предложенного интегрального ДЛ не обнаружены.
Интегральный полупроводниковый оптический усилитель с повышенной мощностью излучения и с улучшенным качеством лазерного луча известны из следующих изобретений: [RU Патент 2109381 (заявка 96115454), ШВЕЙКИН В.И., ГУ НИИ «ПОЛЮС» RU, 19.08.1996, H01S 3/19, «Интегральный полупроводниковый лазер — усилитель»], [RU Патент 2134007, ШВЕЙКИН В.И., ГП НИИ «ПОЛЮС» RU, 12.03.1998, H01S 3/19].
Наиболее близким по технической сущности является предложенный в патенте [RU Патент 2134007, ШВЕЙКИН В.И., ГП НИИ «ПОЛЮС» RU, 12.03.1998, H01S 3/19] интегральный полупроводниковый оптический усилитель, включающий интегрально соединенные задающий диодный лазер (далее ЗДЛ) и полупроводниковый усилительный элемент (далее ПУЭ), размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры. Она содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область ввода-вывода, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты. Кроме того, ЗДЛ включает активную область с протекающим током при его работе, ограничительные области излучения с боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели. ПУЭ включает по крайней мере одну область усиления с протекающим током при его работе с просветляющим покрытием на выводной оптической грани.
В работающем усилителе выбраны соответствующими угол ввода для вытекающего из активного слоя усиленного излучения, при этом эффективный показатель преломления гетероструктуры n эфф в совокупности с областью ввода-вывода, прозрачной для излучения, и показатель преломления n овв упомянутой области ввода-вывода удовлетворяют соотношению
0<arrccos n эфф/ n овв n эффmin/ n овв , при n овв больше n min ,
где n эффmin — минимальное значение n эфф из всех возможных n эфф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур в совокупности с областью ввода-вывода, а n min — наименьший из показателей преломления полупроводниковых соединений, составляющих гетероструктуру.
Основным достоинством ИПОУ-прототипа являются оригинальность предложенных конструкций интегрально-соединенного ИПОУ с увеличенной мощностью излучения, увеличенными размерами излучающей площадки и соответствующим уменьшением угловой расходимости излучения. Основным недостатком предложенной конструкции является сложность их технологической реализации.
Основной технический результат — предложен оригинальный с глухим оптическим резонатором диодный лазер (ГОР-ДЛ), обусловивший реальную возможность изготовления в интегральном виде эффективных источников лазерного излучения, а именно интегрально соединенных по оси два и более диодных лазера, далее интегральный ДЛ (ИДЛ), и интегрально соединенные по оси задающий диодный лазер с полупроводниковым усилительным элементом, далее интегральный полупроводниковый оптический усилитель (ИПОУ).
Техническим результатом предложенного ГОР-ДЛ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.
Техническим результатом предложенного ИДЛ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.
Техническим результатом предложенного ИПОУ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен диодный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также активную область с протекающим током при работе диодного лазера, оптические грани, отражатели, оптический резонатор, омический контакт, причем гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, кроме того, имеются ограничительные области излучения, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, со стороны вывода излучения на оптической грани имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, и с той же стороны вывода излучения сформирован с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, отражатель оптического резонатора, примыкающий к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.
Существенное отличие нового предложенного ГОР-ДЛ состоит в оригинальной и необычной предложенной совокупности неочевидного оптического резонатора и неочевидного вывода лазерного излучения. Достижение порога генерации осуществляется в оптическом резонаторе, включающем с обеих сторон отражатели с максимально высоким коэффициентом отражения обоих высокопрочных зеркал (глухой оптический резонатор). Вывод излучения из активного слоя осуществляется через широкозонную (по отношению к ширине запрещенной зоны в активном слое) область втекания видоизмененной гетероструктуры диодного лазера с просветленной (менее 0,01%) оптической гранью. Именно предложенное открыло новые возможности для достижения упомянутого выше технического результата и позволило создать как одноэлементный ГОР-ДЛ, так и изготовленные в интегральном виде указанные выше комбинации: ИДЛ и ИПОУ, состоящий из ЗДЛ и ПУЭ.
Технический результат достигается также тем, что дельта стремится к нулю. Это определяет выбор соответствующей гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что упомянутый отражатель, сформированный со стороны вывода излучения, размещен примерно от наружного слоя гетероструктуры до примерно слоя втекания гетероструктуры.
В тех случаях, когда вывод лазерного излучения из ГОР-ДЛ осуществляется в одну сторону, с противоположной стороны отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части ее толщины, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.
Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения при повышенных мощностях излучения.
Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ГОР-ДЛ состоит в неочевидной и эффективной конструкции оптического резонатора и способа вывода лазерного излучения вне оптического резонатора. Необычность конструкции оптического резонатора состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера. Вывод лазерного излучения реализуется в основном из слоя втекания предложенной гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора, через широкозонную область втекания с просветленной оптической гранью.
Технологическая реализация предложенного в настоящем изобретении ГОР-ДЛ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптического резонатора ГОР-ДЛ.
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен интегральный диодный лазер, представляющий комбинацию интегрально соединенных диодных лазеров (далее ИДЛ), изготовленных из одной и той же гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также по крайней мере два оптических резонатора и по крайней мере две активные области с протекающим током при работе ИДЛ, расположенные на одной оси, оптические грани, отражатели, омический контакт, причем гетероструктура характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, с обеих сторон от активной области с протекающим током имеются ограничительные области излучения, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, со стороны вывода излучения на оптической грани имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, при этом по крайней мере каждый оптический резонатор ограничен отражателями, имеющими коэффициенты отражения лазерного излучения, близкими к единице и примыкающими к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.
Существенное отличие нового неочевидного предложенного ИДЛ состоит в новом и неочевидном соединении двух глухих оптических резонаторов и интегральной оптической связи их между собой, а также в высокоэффективном выводе излучения. Порог генерации достигается в оптических резонаторах, включающих с обеих сторон отражатели с максимально высоким коэффициентом отражения обоих зеркал. Эффективная и оптимальная интегральная связь оптических резонаторов (без фокусирующей оптики и практически без потерь излучения) осуществляется в основном через область втекания предложенной гетероструктуры. Вывод излучения из ИДЛ реализуется через широкозонную область втекания с практически полностью просветленную (менее 0,01%) оптическую грань с нанесенным антиотражающим покрытием. Именно предложенное открыло новые и неочевидные возможности для достижения упомянутого выше технического результата ИДЛ.
В тех случаях, когда вывод лазерного излучения из ИДЛ осуществляется в одну сторону, с противоположной стороны отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.
Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения ИДЛ при повышенных мощностях излучения.
Технический результат достигается также тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна активная область, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой под соответствующим углом, причем со стороны, противоположной стороне вывода излучения, в указанной расширяемой активной области начальная часть ее длины выполнена шириной, равной ширине предшествующей активной области. Тогда для указанной расширяемой активной области отражатель со стороны вывода излучения имеет ширину, примерно равную ширине начальной части расширяемой активной области.
Технический результат достигается также тем, что по крайней мере две активные области интегрального диодного лазера имеют автономные омические контакты.
Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ИДЛ состоит в неочевидной и эффективной интегральной связи между диодными лазерами, конструкции их оптических резонаторов и способа вывода лазерного излучения вне оптического резонатора. Необычность конструкции оптического резонатора состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера, а вывод лазерного излучения реализуется в основном из слоя втекания предложенной нами гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора, через практически полностью просветленную оптическую грань (менее 0,01%).
Технологическая реализация предложенного в настоящем изобретении ИДЛ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптических резонаторов диодных лазеров.
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен интегральный полупроводниковый оптический усилитель (далее ИПОУ), включающий интегрально соединенные задающий диодный лазер (ЗДЛ) и полупроводниковый усилительный элемент (ПУЭ), размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты, кроме того, ЗДЛ включает активную область с протекающим током при работе задающего диодного лазера, ограничительные области излучения с боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели, а ПУЭ включает по крайней мере одну область усиления с протекающим током при работе ПУЭ с просветляющим покрытием на выводной оптической грани, причем гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания, а именно отношение n эф к n вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, имеются ограничительные области излучения ЗДЛ, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, оптический резонатор ЗДЛ ограничен отражателями, имеющими коэффициент отражения лазерного излучения, близким к единице, при этом отражатель ЗДЛ, граничащий с активной областью усиления ПУЭ, выполнен примыкающим к активному слою и расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от ( /4n эф ) мкм до (4 /n эф ) мкм, где — длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, и просветляющее покрытие на выводной оптической грани ПУЭ выполнено с коэффициентом отражения, близким к нулю.
Существенное отличие нового предложенного ИПОУ состоит в неочевидном интегральном соединении ЗДЛ и ПУЭ и необычном оптическом резонаторе ЗДЛ. Порог генерации ЗДЛ достигается в оптическом резонаторе, оба отражатели которого имеют максимально высокие коэффициенты отражения. Интегральная связь между ЗДЛ и ПУЭ осуществляется без фокусирующей оптики и практически без потерь излучения через широкозонную область втекания предложенной гетероструктуры ЗДЛ и ПУЭ. Вывод излучения из ИПОУ осуществляется через область втекания новой предложенной гетероструктуры с просветленной (менее 0,01%) выводной оптической гранью ПУЭ. Именно предложенное открыло новые возможности для достижения упомянутого выше технического результата ИПОУ.
Технический результат достигается также тем, что с противоположной стороны вывода излучения отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.
Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области ЗДЛ имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения ИПОУ при повышенных мощностях излучения.
Технический результат достигается также тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна область усиления ПУЭ, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой под соответствующим углом, причем со стороны, противоположной стороне вывода излучения, в указанной расширяемой области усиления начальная часть ее длины выполнена шириной, примерно равной ширине предшествующей активной области ЗДЛ.
Технический результат достигается также тем, что активная область ЗДЛ и область усиления ПУЭ имеют автономные омические контакты.
Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ИПОУ состоит в неочевидной и эффективной интегральной связи между ЗДЛ и ПУЭ. Необычность оптического резонатора ЗДЛ состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера. Выход лазерного излучения из ЗДЛ в ПУЭ реализуется в основном из слоя втекания новой предложенной гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора. Усиленное излучение выводится через практически полностью просветленную оптическую выводную грань ПУЭ, прилегающую к широкозонным полупроводниковым слоям гетероструктуры.
Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении ИПОУ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптического резонатора ЗДЛ.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фиг.1-8.
На фиг.1 схематически изображено продольное сечение предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора и выводом лазерного излучателя из слоя втекания гетероструктуры через оптическую грань с антиотражающим покрытием.
На фиг.2 схематически изображен вид сверху предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.1.
На фиг.3 схематически изображено продольное сечение предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора, отличающегося от диодного лазера, схематически изображенного на фиг.1, тем, что выводная грань с антиотражающим покрытием размещена от наружной поверхности гетероструктуры до ее основания.
На фиг.4 схематически изображено продольное сечение предложенного интегрального диодного лазера в виде двух интегрально связанных по оси лазеров, в котором последовательно вдоль оси размещены два оптических резонатора, отражатели которых имеют высокий коэффициент отражения, и соответственно две активные области с протекающим током
На фиг.5 схематически изображен вид сверху интегрального диодного лазера, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.4.
На фиг.6 схематически изображен вид сверху интегрального диодного лазера, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.4, в котором часть активной области, прилегающей к выходной оптической грани с антиотражающим покрытием, выполнена расширяемой.
На фиг.7 схематически изображен вид сверху предложенного ИПОУ, включающего ЗДЛ и ПУЭ, в котором часть области усиления ПУЭ, близлежащая к задающему диодному лазеру, имеет ширину, примерно равную ширине полосковой активной области задающего лазера, а часть области усиления ПУЭ, прилегающей к выходной оптической грани с антиотражающим покрытием, выполнена расширяемой.
На фиг.8 схематически изображен вид сверху предложенного ИПОУ, который отличается от схематически изображенного на фиг.7 тем, что задающий диодный лазер интегрально связан с двумя ПУЭ вдоль по оси в двух противоположенных направлениях.
Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций диодного лазера, интегрального диодного лазера и интегрального полупроводникового оптического усилителя не являются единственными и предполагают наличие других реализации, в том числе в известных диапазонах длин волн, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
Предложенный диодный лазер 1 с глухим оптическим резонатором (ГОР-ДЛ) (см. фиг.1-2) содержит на подложке 2 из n-типа GaAs лазерную гетероструктуру на основе соединений InAIGaAs с одним активным слоем 3 из InGaAs. Длина оптического резонатора равна 4 мм. Между активным слоем 3 и ограничительным слоем 4 (со стороны подложки) размещена область втекания, содержащая слой втекания 5 и настроечный слой 6. С противоположной стороны к активному слою примыкает настроечный слой 7, к которому примыкает ограничительный слой 8. Далее к ограничительному слою 8 примыкает полупроводниковый контактный слой 9. Слои металлизации на фигурах не показаны. Фактически совокупность всех слоев гетероструктуры, расположенных между ограничительными слоями 4 и 8, образуют известную волноводную область ДЛ с необычно большой толщиной. Характерным является то, что толщина слоя втекания 5 может иметь размеры примерно в пределах от 2 мкм до 10 мкм и более, а толщины слоев настроечных слоев 6 и 7 примерно от 0,1 мкм до 1,0 мкм. Определяющим является величина отношения эффективного показателя преломления n зф гетероструктуры к показателю преломления n вт слоя втекания. Расчетные n зф /n вт при плотностях тока 0,1 кА/см 2 и 10 кА/см 2 были соответственно равны 1,000001 и 0,999854. Длина волны лазерного излучения выбрана равной 0,976 мкм и определялась составом и толщиной активного слоя 3. Отражатель оптического резонатора Лазера 1, расположенный со стороны вывода излучения, был изготовлен травлением соответствующей выемки с наружной поверхности гетероструктуры. На созданную в выемке оптическую грань 10 высотой примерно 2 мкм (примыкающую к слоям гетероструктуры 6, 3, 7, 8 и 9) были нанесены отражающие покрытия 11 с коэффициентом отражения R 1 , равным 99%. Для вывода лазерного излучения на сколотую оптическую грань 12 было нанесено антиотражающее покрытие 13 с коэффициентом отражения излучения R 2 менее 0,01%. Со стороны, противоположной стороне вывода излучения, на всю сколотую оптическую грань 14 были нанесены отражающие покрытия 15 с коэффициентом отражения R 1 , равным 99%. Активные области 16 с протекающим током выполнены полосковыми с шириной полоска 100 мкм. Боковое оптическое ограничение лазерного излучения в активной области 16 с протекающим током реализуется ограничительными областями 17, выполненными в виде заполненных диэлектриком полосковых канав, размещенных на расстоянии 3 мкм от боковых сторон активной области 16 с протекающим током. Отметим, что дно диэлектрических ограничительных областей расположено ниже активного слоя 3 гетероструктуры. При выбранной толщине слоя втекания 5, равной 8,0 мкм, пороговая плотность токов этой модификации ГОР-ДЛ была равна 120 А/см 2 , мощность многомодового лазерного излучения 15 Вт, дифференциальная эффективность 85%. Угол расходимости в вертикальной плотности был равен 7,0°, а в горизонтальной 4,0°.
Следующая модификация диодного лазера 1 (ГОР-ДЛ) (см. фиг.3) отличалась от предыдущей тем, что для вывода лазерного излучения сколотая грань 12 с нанесенным на ней антиотражающим покрытием 13 была размещена вне выемки на расстояние 25 мкм. Параметры этой модификации ГОР-ДЛ были схожи с предыдущей.
Следует отметить, что возможна модификация диодного лазера 1, в которой в отличие от модификации, изображенной на фиг.1-2, боковое оптическое ограничение лазерного излучения в активной области 16 реализуется ограничительными областями 17, дно которых расположено выше активного слоя 3 гетероструктуры, например, на 0,2 мкм. Максимальная мощность излучения данной модификации не превышает 5 Вт.
Предложенный интегрально связанный ИДЛ 30 (см. фиг.4-5) содержит вдоль оптической оси распространения лазерного излучения два интегрально связанных диодных лазера, базирующихся на одной и той же гетероструктуре, что и ГОР-ДЛ. Первый диодный лазер 31 включает оптический резонатор длиной 1,0 мм с глухими отражателями 32 и 33 и полосковую активную область 34 шириной 100 мкм, второй диодный лазер 35 включает оптический резонатор длиной 5,0 мм с глухими отражателями 36 и 37 и полосковую активную область 38 шириной 100 мкм. Вывод лазерного излучения осуществляется через просветленную грань 39 с диэлектрическим покрытием 40. Пороговая плотность тока этой модификации ИДЛ была равна 90 А/см 2 , мощность лазерного излучения возрастала до 25 Вт, дифференциальная эффективность и углы расходимости были те же, что в предыдущих модификациях.
Следующая модификация ИДЛ 30 отличалась от предыдущей тем, что была изготовлена в виде решетки (из двадцати) параллельно расположенных ИДЛ 30. Выходная мощность такой решетки составляет 500 Вт.
Следующая модификация ИДЛ 30 (см. фиг.6) отличалась от предыдущей модификации тем, что ширина активной области 34 первого диодного лазера 31 была равна 10 мкм, а конфигурация активной области второго диодного (выводного) лазера 35 состояла из двух частей. Ширина активной области (длиной 1,0 мкм) в первой ее части 41 была равна 10 мкм, а вторая часть 42 активной области (длиной 4,0 мкм) выполнена расширяемой с углом расширения, равным 7°, что приводит к ширине апертуры выходного лазерного излучения, равной 490 мкм. Данная модификация генерирует одномодовое лазерное излучение с мощностью 5 Вт с дифракционными углами расходимости: в вертикальной плоскости 8°, в горизонтальной плоскости 0,20°. Дифференциальная эффективность лазерного излучения находится в пределах 75% 90%.
Следующая модификация ИДЛ 30 отличалась от модификации, изображенной на фиг.6, тем, что была изготовлена в виде решетки (из двадцати) параллельно расположенных ИДЛ 30 с мощностью излучения 100 Вт.
Предложенный интегрально связанный ИПОУ 50 (см. фиг.7) содержит вдоль оптической оси распространения лазерного излучения интегрально соединенные задающий диодный лазер 51 (ЗДЛ) с длиной оптического резонатора 1,0 мм и полупроводниковый усилительный элемент 52 (ПУЭ) с длиной области усиления 5,0 мм. Задающий диодный лазер 51 включает оптический резонатор длиной 1,0 мм с глухими отражателями 53 и 54 и полосковую активную область 55 шириной 10 мкм. ПУЭ включает две части области усиления 56 и 57. Первая часть 56 области усиления выполнена одинаковой по размерам длины и ширины по отношению к активной области 55 в ЗДЛ 51. Вторая часть 57 области усиления длиной 5,0 мм выполнена расширяемой с углом расширения, равным 7°, что приводит к ширине апертуры выходного лазерного излучения, примерно равной 600 мкм. На выводную оптическую грань 58 области усиления нанесено просветляющее (антиотражающее) диэлектрическое покрытие 59 с коэффициентом отражения менее 0,01%. Профиль выемки 60 на границе с первой частью 56 области усиления выполняет роль стабилизирующего элемента. Приведенный ИПОУ дает возможность получить одномодовое лазерное излучение с мощностью вплоть до 10 Вт при высоком качестве излучения. Дифракционный угол расходимости излучения в вертикальной плоскости равен 8°, а в горизонтальной плоскости равен 0,14°. Дифференциальная эффективность лазерного излучения находится в пределах 80 90%.
Следующая модификация ИПОУ 50 (см. фиг.8) отличалась от предыдущей тем, что в противоположных направлениях вдоль по оси к одному ЗДЛ 51 с каждой стороны были интегрально присоединены по одному ПУЭ 52. Данный ИПОУ излучает в двух противоположных направлениях с параметрами излучения, схожими с параметрами предыдущей модификации.
Следующая модификация ИПОУ 50 отличалась от модификации, изображенной на фиг.8, тем, что была изготовлена в виде решетки (из семнадцати) параллельно расположенных ИПОУ 50 с суммарной мощностью излучения 340 Вт.
Полупроводниковые источники лазерного излучения — диодные лазеры (ДЛ), а также интегральные диодные лазеры (ИДЛ) и интегральные полупроводниковые оптические усилители (ИПОУ) — применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании лазерного технологического оборудования, медицинской аппаратуры, для реализации лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей.
Материалы для полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые веществ, успешно испытанные в лазерах — это большинство полупроводников, для которых разработаны методы контролируемого изготовления совершенных кристаллов. Чтобы довести характеристики лазеров до уровня, приемлемого для практических применений, необходимо выполнение довольно высоких требований. В результате до промышленного производства доведены лишь некоторые из полупроводниковых лазеров, среди которых доминируют лазеры на арсениде галлия, работающие на длинах волн 0,85 — 1 мкм. [1]
 |
Некоторые вещества, используемые в полупроводниковых лазерах, представлены в таблицах 1 и 2 [1].
Таблица 1 Таблица 2
Краткая характеристика излучения полупроводникового лазера
После достижения порога возбуждения лазера на р — n-переходе (резонатор такого лазера может, например, иметь форму прямоугольного параллелепипеда) наблюдается излучение на нескольких модах, каждая из которых характеризуется спектральной шириной порядка 25 МГц (при низких температурах). По мере возрастания мощности излучения ширина спектра уменьшается до 150 кГц. Модовая структура излучения, очевидно, зависит от типа оптического резонатора. Расходимость светового пучка δθ ввиду небольших размеров резонатора определяется в общем случае дифракцией:
 |
(7) |
где D — апертура резонатора.
Разница частот между продольными модами значительно меньше, чем следует из основного выражения, определяющего резонансные частоты:
 |
(8) |
где m — целое число, n — показатель преломления. Это обусловлено сильной зависимостью показателя преломления от частоты.
На рисунке 6 представлен спектр излучения полупроводникового инжекционного лазера типа GaAsxP1-x 
в зависимости от силы тока.
Из большого числа полупроводниковых лазеров наиболее широко используются GaAs -лазеры (λ = 0,84 мкм). При температуре 77 К непрерывная выходная мощность таких лазеров достигает нескольких ватт с общим к. п. д. около 30% (в данном случае под к. п. д. лазера понимается отношение мощности лазерного излучения к электрической мощности, рассеиваемой в р— n -переходе). Квантовый выход (отношение числа испущенных фотонов к числу электронно-дырочных пар, инжектируемых в переход) для таких лазеров является даже более высоким (
70%). Полупроводниковые лазеры представляют собой фактически самые эффективные лазеры. [1]
Из всего разнообразия других полупроводниковых лазеров упомянем также лазеры типа 
, длины волн которых перекрывают диапазон от 0,84 (чистый GaAs, т. е. х = 0) до 0,64 мкм (х = 0,4). Таким образом, изменяя состав полупроводникового материала, можно непрерывно менять длину волны выходного излучения. [1]
Применение
Практические применения полупроводниковых лазеров оказались едва ли не самыми разнообразными среди многочисленных предназначений приборов квантовой электроники. Они опираются на следующие важные с практической точки зрения достоинства полупроводниковых лазеров:
1.Экономичность, обеспечиваемая высокой эффективностью преобразования подводимой энергии в энергию когерентного излучения.
2.Малоинерционность, обусловленная короткими характеристическими временами установления режима генерации (10 -10 —10 -9 с).
3.Компактность, обусловленная свойством полупроводников развивать огромное оптическое усиление и поэтому не требовать большой длины активной среды для поддержания режима генерации.
4.Простота устройства, обеспечиваемая рядом факторов: жесткостью монтажа, возможностью низковольтного питания, совместимостью с интегральными схемами полупроводниковой электроники (эти свойства присущи инжекционным лазерам).
5.Перестраиваемость длины волны генерации, обусловленная зависимостью оптических характеристик полупроводника от таких физических величин, как температура, давление, напряженность магнитного поля. Наряду с широким выбором подходящих материалов эта способность к перестройке полупроводникового лазера позволяет непрерывно перекрыть спектральный интервал от 0,32 до 32 мкм. [1]
Основные области применения полупроводниковых лазеров представлены в таблице 4. [1]
Заключение
В данном реферате было рассмотрено устройство полупроводникового лазера, принцип его работы, а так же некоторые характеристики и материалы, используемые для создания лазера.
Полупроводниковые лазеры являются фактически самыми эффективными лазерами. В наиболее распространенном варианте полупроводниковый лазер представляет собой кристаллический диод объемом всего в несколько тысячных долей кубическою сантиметра, потребляющий энергию батарейки от карманного фонаря.
Чаще всего можно встретить GaAs – лазер.
Полупроводниковые лазеры нашли применение во многих областях науки и являются неотъемлемой частью нашей жизни.
Список используемой литературы:
1. Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. Полупроводниковые лазеры, монография, Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976
2. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. Пер. с польск./ Перевод В. Д. Новикова. Под ред. и с предисл. М. Ф. Бухенского. – М.: Мир, 1980. – 540 с., ил. – ИСБН 83-01-00209-3
3. Сироткина А. Г. Введение в физику лазеров. СарФТИ, 2009
4. Svelto О. – Principi del Laser. Перевод с английского под редакцией канд. физ. – мат. наук Т.А. Шмаонова, Мир, 1979