Оптическое устройство

 

Длинноволновый лазер VCSEL в соответствии с настоящим изобретением оптически соединен с коротковолновым электрически накачиваемым лазером VCSEL и оптически накачивается им.Коротковолновое излучение, испускаемое с верхней поверхности нижележащего лазера VCSEL, проходит через нижнее зеркало длинноволнового лазера VCSEL. Длинноволновое излучение предпочтительно испускается с верхней поверхности длинноволнового лазера VCSEL. Два лазера VCSEL предпочтительно соединены вместе с помощью прозрачного оптического адгезионного материала (клея), сплавлением слоев или металлической пайкой. Техническим результатам является получение высоких выходных мощностей, излучение коротковолновым лазером VCSEL на 980 нм, длинноволновым лазером на 1300 или 1550 нм. 2 с. и 19 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится главным образом к интегральным полупроводниковым лазерам и преимущественно к лазерам с оптической накачкой и с поверхностно излучающим вертикальным резонатором (VCSEL).

Уровень техники VCSEL представляет собой полупроводниковый лазер, состоящий из полупроводникового слоя оптически активного вещества, такого как, например, арсенид галлия или арсенид индия и галлия или подобного, являющегося прослойкой между зеркалами, образованными высокоотражающими слоями из металлического материала, диэлектрического материала, эпитаксиально выращенного полупроводникового диэлектрического материала и их комбинаций, зеркалами в виде чаще всего многослойных стопок. Как это обычно принято, одна из зеркальных стопок выполнена частично отражающей для того, чтобы направить часть когерентного света, сформированного в резонирующей полости, образованной сэндвичем из активного слоя между отражающими стопками.

Лазерные структуры требуют оптического ограничения в резонаторе и ограничения носителей тока, чтобы достичь эффективного превращения электронов накачки в стимулированные фотоны через инверсию населенностей. Стоячая волна отраженной электромагнитной энергии в резонаторе имеет характерное поперечное сечение, определяющее усиление электромагнитной моды. Желательной электромагнитной модой является одиночная (единственная) основная мода, например HE₁₁ мода цилиндрического волновода. Одномодовый сигнал из лазера VCSEL легко связать с оптоволоконным световодом у него низкая расходимость и по сути одночастотный режим при работе лазера.

Для того, чтобы достичь порога лазерной генерации, суммарное усиление VCSEL должно уравновесить его полные потери. К сожалению, из-за компактности лазеров VCSEL, среда усиления является достаточно ограниченной. Это ограничение приводит к требованию, что для эффективных лазеров VCSEL зеркала должны иметь коэффициент отражения выше, чем приблизительно 99.5 процента. Это требование гораздо труднее выполнить для длинноволновых лазеров VCSEL, чем для коротковолновых лазеров VCSEL, так как зеркала могут быть выращены таким же эпитаксиальным путем, как и активная область. Например, в 980-нанометровом лазере VCSEL на арсениде галлия зеркала могут быть выращены с использованием чередующихся слоев GaAs и AlGaAs. Поскольку разница показателей преломления между этими двумя материалами составляет 0.6, то требуются всего несколько слоев для формирования подходящего зеркала. Для аналогичного проектирования зеркал для 1300- или 1550- нанометрового лазера VCSEL следует применять чередующиеся слои InP и InGaAsP. Однако в этом случае разница в показателях преломления составляет приблизительно 0.23. В результате зеркало из InP/InGaAsP должно быть намного толще, чтобы достичь такого же коэффициента отражения, как у зеркала GaAs/AlGaAsP. Однако увеличение толщины на практике не действует, так как потери за счет поглощения и дифракции также увеличиваются, безусловно ограничивая максимально достижимый коэффициент отражения.

Поэтому для того чтобы сформировать подходящий длинноволновый лазер VCSEL, зеркала должны быть сформированы или путем напыления диэлектриков или с использованием полупроводников с рассогласованными решетками. Фиг. 1 и 2 иллюстрируют две возможные комбинации зеркал, описанных в известном уровне техники. Обе структуры используют, по крайней мере, одно зеркало из GaAs/AlAs, которое имеет большую разницу показателей преломления, чем InP/InGaAsP. Сплавление слоев - это хорошо известная технология, с помощью которой полупроводники с разными постоянными решетки могут быть соединены на атомном уровне, просто применением механического давления и тепла. Структура, показанная на фиг. 1, использует в качестве верхнего зеркала электрически изолирующее диэлектрическое зеркало 3, в то время как структура, показанная на фиг. 2, использует в качестве верхнего зеркала еще одно зеркало 2 из GaAs/AlGaAs, полученное путем сплавления слоев.

Структуры лазеров VCSEL, показанные на фиг. 1 и 2, имеют несколько недостатков, связанных с электрической инжекцией заряженных носителей в активную зону. Структура на фиг. 1 имеет изолирующее диэлектрическое верхнее зеркало 3, что приводит к требованию контакта с металлическим кольцом 4 и инжекции вокруг диэлектрического зеркала 3 по пути инжекции 5. Такая контактная и инжекционная схема получается в результате сложной производственной технологии. Структура, показанная на фиг. 2, использует инжекцию через проводящее верхнее зеркало 2 с металлическим контактом 6. Зеркало 2, однако, обычно обладает активным сопротивлением и вносит значительный омический нагрев. Поскольку, оптическая эффективность таких материалов как InP и InGaAsP, как известно, быстро деградирует с ростом температуры, омический нагрев будет ограничивать выходную мощность устройства. Наконец, структуры лазеров на обеих фигурах 1 и 2, так же как любого другого электрически инжектируемого лазера VCSEL, требуют наличия p- и n-примесей внутри оптического резонатора. Примеси еще вносят потери, которые безусловно ограничивают выходную мощность.

Альтернативной электрической накачке является оптическая накачка. Оптическая накачка устраняет сложную технологию, омический нагрев и потери, вносимые легированием. Один из известных подходов, который был использован для коротковолнового лазера VCSEL, работающего на 860 нм, описан в статье "Vertical Cavity Surrface-Emittinq Semiconductor Laser with CW Injection Laser Pumping", IEEE Photonics Tech. Lett., 2 (3) (март 1990), с. 156-158. В нем использована решетка выстроенных в плоскости полупроводниковых лазеров в качестве источников накачки для одного коротковолнового лазера VCSEL. В другом известном подходе к оптической накачке предложена структура длинноволнового лазера VCSEL, состоящая из 30 пар сжатых давлением щелей и деформированных растяжением барьеров, и Si/SiO₂ диэлектрических зеркал, оптически накачиваемых титан-сапфировым лазером с синхронизацией мод ("Photopumped Long Wavelength Vertical-Cavity Surrface-Emitting Lasers Using Strain-Compensated Multiple Quantum Wells", Appi. Phys. Lett. 64(25) (20 июль 1994), с. 3395-3397. Никакой из вышеупомянутых известных подходов, ни любых иных приближений, использующих или плоскостной полупроводниковый лазер или лазер на красителях, или накачку твердотельным лазером, не подходят для коммерческого производства лазеров VCSEL. Практически коммерческие лазеры VCSEL должны иметь возможность массового производства и контроля для того, чтобы иметь очевидное коммерческое преимущество над плоскостными полупроводниковыми лазерами.

Из вышеизложенного очевидно, что есть необходимость в компактном длинноволновом лазере VCSEL с оптической накачкой, который может производиться и проверяться в массовом масштабе.

Сущность изобретения Настоящее изобретение предусматривает длинноволновый лазер VCSEL, который оптически накачивается коротковолновым лазером VCSEL. Длинноволновый лазер VCSEL в соответствии с настоящим изобретением оптически соединяется и оптически накачивается VCSEL лазером с более короткой длиной волны и с электрической накачкой. Коротковолновое излучение, испускаемое с верхней поверхности нижележащего лазера VCSEL, проходит через нижнее зеркало длинноволнового лазера VCSEL. В предпочтительном варианте длинноволновое излучение испускается с верхней поверхности длинноволнового лазера VCSEL. Два лазера VCSEL преимущественно соединены вместе с помощью прозрачного оптического клея, сплавлением слоев или пайкой металлов.

В одном варианте коротковолновый лазер VCSEL излучает на 980 нм, а длинноволновый лазер VCSEL излучает на 1300 или 1550 нм. Длинноволновый лазер VCSEL использует либо беспримесные зеркала GaAs/AlAs либо из AlGaAs/AlAs сплавленных слоев, или диэлектрические зеркала, образованные из чередующихся слоев SiO₂ и TiO₂, или какой-либо другой комбинации диэлектриков.

Длинноволновые лазеры VCSEL, которые излучают как на 1300 нм, так и 1550 нм, накачиваемые лазерами VCSEL на 960 нм, особенно пригодны для волоконно-оптических систем связи. Как отдельные устройства, эти длинноволновые лазеры VCSEL могут вытеснить дорогостоящие лазеры с распределенной обратной связью в маломощных применениях. В решетках (матрицах) эти лазеры открывают возможность передачи параллельных данных на большие расстояния, либо с помощью световодного кабеля, либо делением - одновременным модулированием нескольких лазеров VCSEL в одно оптическое волокно (световод). Одно- или двумерные решетки также применимы для взаимосвязи в свободном оптическом пространстве.

В другом варианте два лазера VCSEL разделены механической прокладкой. Ряд микролинз из GaAs, сформированных непосредственно на подложке из GaAs, используются, чтобы сфокусировать излучение из лазера накачки VCSEL на длинноволновый лазер VCSEL. Этот вариант применим для достижения высоких выходных мощностей, поскольку для оптической накачки длинноволнового лазера VCSEL малого диаметра может быть использован коротковолновый лазер VCSEL большого диаметра. Микролинзы из GaAs можно заменить отдельными микролинзами из различных материалов.

На фиг. 1 изображен схематично известный электрически инжектируемый лазер VCSEL на 1300/1550 нм с верхним диэлектрическим зеркалом, на фиг. 2 - известный электрически инжектируемый лазер VCSEL на 1300/1550 нм с двумя сплавленными зеркалами из GaAs/AlGaAs, на фиг. 3 - в общем виде настоящее изобретение, на фиг. 4 - настоящее изобретение, в котором пара длинноволновых лазеров VCSEL соединена с парой коротковолновых лазеров VCSEL с помощью оптического клея, на фиг. 5 - настоящее изобретение, в котором пара длинноволновых лазеров VCSEL соединена с парой коротковолновых лазеров VCSEL с помощью сплавления слоев, на фиг. 6 - настоящее изобретение, в котором нижние зеркала длинноволновых лазеров VCSEL выращены таким же путем, как и зеркала коротковолновых лазеров VCSEL, на фиг. 7 - другой вариант настоящего изобретения, на фиг. 8 - настоящее изобретение, в котором используются объединенные микролинзы,
на фиг. 9 - настоящее изобретение, в котором длинноволновые лазеры VCSEL присоединены к коротковолновым лазерам VCSEL с использованием металлической пайки,
на фиг. 10 - настоящее изобретение, в котором как нижние, так и верхние зеркала длинноволновых лазеров VCSEL используют диэлектрики,
на фиг. 11 - настоящее изобретение, использующее боковое окисление,
на фиг. 12 - графики коэффициента отражения для зеркала GaAs/AlAs и зеркала SiO₂/TiO₂,
на фиг. 13 - конкретный вариант длинноволнового лазера VCSEL, подходящий для использования в настоящем изобретении,
на фиг. 14 - подробная схема энергетических зон в конструкции предпочтительного поглощающего фильтра, для варианта настоящего изобретения по фиг. 13,
на фиг. 15 - график зависимости коэффициента усиления для одной квантовой щели InGaAs,
на фиг. 16 - график зависимости выходной мощности от мощности накачки для конкретного варианта настоящего изобретения,
на фиг. 17 - вариант настоящего изобретения, в котором длинноволновое излучение из пары длинноволновых лазеров VCSEL распространяется в направлении, противоположном излучению накачки, и
на фиг. 18 - вариант настоящего изобретения, подобного варианту по фиг. 17, за исключением того, что длинноволновые лазеры VCSEL расположены слегка под углом к коротковолновым лазерам VCSEL.

Альтернативой к электрической инжекции носителей заряда в активную зону является световая инжекция на длине волны, более короткой, чем требуемое излучение. Инжектированный свет поглощается в длинноволновом резонаторе, генерируя электроны и дырки. Эти носители заряда затем диффундируют в квантовые щели и повторно излучают на большей длине волны. Поскольку оптическая накачка не требует электрических контактов, производство намного проще и не происходит омический нагрев. Кроме того, поскольку носители инжектированы светом, то свет можно вводить с помощью зеркал. В схемах электрической накачки инжекция должна происходить вокруг зеркала, в предположении, что зеркало электрически изолирующее. Более того, в схемах оптической накачки резонатор может быть свободным от примесей, тогда как примеси являются главным источником оптических потерь в лазерах VCSEL.

Фиг. 3. изображает в общем структуру настоящего изобретения. Эта фигура, равно как и последующие фиг. 4-7, 9-11 и 17-18, изображает два коротковолновых лазера VCSEL 43, оптически накачивающих два длинноволновых лазера VCSEL 40. Эта структура предназначена не для ограничения, а для схематичного изображения массовой (конвейерной) природы технологии производства. Точно такая же технология может использоваться, чтобы сделать одиночные устройства, состоящие из одного коротковолнового лазера VCSEL, накачивающего один длинноволновый VCSEL, или чтобы сделать большими одномерную и двухмерную решетки.

Лазеры 43 представляют собой пару электрически накачиваемых коротковолновых лазеров VCSEL. Они содержат коротковолновую активную область 31, расположенную между коротковолновыми зеркалами 32. Коротковолновое излучение испускается с верхней поверхности 33 лазера VCSEL 43 в нижнюю поверхность второй пары лазеров VCSEL 40. Лазеры VCSEL 40 представляют собой пару длинноволновых лазеров VCSEL, содержащих длинноволновую активную область 35, расположенную между нижним зеркалом 36 и верхним зеркалом 37. Зеркала 36 и 37 являются длинноволновыми. Зеркало 36 прозрачно для коротковолнового излучения, испускаемого лазерами VCSEL 43. Длинноволновое излучение испускается с верхних зеркал 37. Модуляция длинноволнового излучения выполняется путем модулирования коротковолновой накачки лазеров VCSEL. В измененном воплощении модуляция выполнена путем приложения контактов к длинноволновому лазеру VCSEL.

Фиг. 3 и последующие структурные схемы изображают нижние зеркала 32 коротковолновых лазеров VCSEL, верхние зеркала 37 длинноволновых лазеров VCSEL как вертикально вытравленные, чтобы сформировать цилиндрические стойки. Эти стойки делят первоначально плоский слой на много устройств, задающих показатель преломления. Задание показателя преломления хорошо известно в технике и может быть выполнено травлением, боковым окислением, имплантацией, диффузией, перекристаллизацией или избирательным выращиванием. В предпочтительном варианте оба и коротковолновый и длинноволновый лазеры VCSEL должны быть с управляемым показателем преломления, хотя коротковолновые лазеры VCSEL могут управляться усилением или термически.

Структура оптической накачки на фиг. 3 в общем сохраняет преимущества лазера VCSEL, такие, как возможность массового производства и контроля и дешевое производство одно- или двумерных матриц. Это значительно контрастирует с лазерами VCSEL, которые используют в качестве оптической накачки твердотельные лазеры, лазеры на красителях, либо плоскостные полупроводниковые лазеры. Оптически накачиваемые лазеры VCSEL, которые используют эти перечисленные подходы, непрактичны для матричного применения, и не могут производиться и контролироваться в массовом масштабе.

Фиг. 4 изображает один из вариантов изобретения. Длинноволновые лазеры VCSEL 40 используют сплавленные слоями беспримесные зеркала 41 из GaAs/AlAs на нижней стороне, и диэлектрические зеркала 42 на верхней стороне. Диэлектрические зеркала 42 формируются из чередующихся слоев двуокиси кремния SiO₂ и двуокиси титана TiO₂. Диэлектрические зеркала 42 могут формироваться также из других материалов. Длинноволновые лазеры VCSEL 40 прикреплены к коротковолновым лазерам VCSEL 43 с помощью прозрачного оптического клея (адгезива) между подложками из GaAs 45 и 46. Фиг. 5 по существу изображает тот же вариант изобретения, что и фиг. 4, за исключением того, что подложка 45 длинноволновых лазеров VCSEL 40 из GaAs прикреплена сплавлением слоев к подложке из GaAs 46 коротковолновых лазеров VCSEL 43 на интерфейсе (на поверхности раздела) 50. Этот подход устраняет необходимость в оптическом клее, вероятно, приводя к уменьшению паразитных отражений. В измененном варианте, показанном на фиг. 6, зеркало из GaAs/AlAs 41 может быть выращено таким же эпитоксиальным путем, как лазеры VCSEL 43, устраняя таким образом необходимость либо в оптическом клее 44, либо в сплавлении слоев 50 на этом интерфейсе.

Фиг. 7 изображает схему измененного варианта изобретения. Длинноволновые лазеры VCSEL 40 содержат длинноволновую активную зону 60, расположенную между двумя зеркалами 61 из GaAs/AlAs. Активная зона 60 присоединена сплавлением слоев к зеркалам 61 на интерфейсе 62. В этом варианте полученная двукратной плавкой структура соединена оптическим клеем 44 к коротковолновым лазерам VCSEL 43. Полученная двукратной плавкой структура может быть также присоединена сплавлением слоев к лазерам VCSEL 43, как показано на фиг. 5.

Фиг. 8 изображает вариант изобретения, использующий интегрированные микролинзы. Так же, как и в предыдущих вариантах, ряд коротковолновых лазеров VCSEL 43 используются для оптической накачки ряда длинноволновых лазеров VCSEL 40. Однако в этом варианте матрицы (решетки) лазеров VCSEL разделены механической прокладкой 70. Между двумя типами лазеров есть ряд микролинз 71 из GaAs, которые используются, чтобы сфокусировать излучение от лазера 43 на лазеры 40. Микролинзы 71 формируются непосредственно на подложке из GaAs 72 коротковолновых лазеров (показано) или непосредственно на подложке из GaAs длинноволновых лазеров VCSEL (не показано), или на обоих. Таким образом, коротковолновый лазер VCSEL большого диаметра может использоваться для оптической накачки длинноволнового лазера VCSEL малого диаметра. Эта структура позволяет достичь высоких выходных мощностей в длинноволновом лазере VCSEL. В измененном варианте микролинзы 71 формируются из материалов иных, чем GaAs, таких как стекло, либо "способный обратно течь" полимер. В этой измененной структуре микролинзы 71 объединены не монолитно с другими частями устройства.

Фиг. 9 иллюстрирует другую технологию присоединения длинноволновых лазеров VCSEL 40 к коротковолновым лазерам VCSEL 43. В этом подходе две пары лазеров VCSEL соединены к металлическому интерфейсу 75 с помощью металлической пайки. Ряд окон 76 в металлическом интерфейсе позволяет проходить излучению накачки. Микролинзы могут быть встроены (введены) в окна (не показано). Хотя можно использовать разнообразные металлы в качестве связующих, предпочтительная реализация использует либо палладий, либо индий, содержащие припой.

Фиг. 10 изображает вариант изобретения, в котором лазеры VCSEL 40 используют диэлектрические зеркала 80 и 81. Используя оптический клей 44, чтобы соединить лазеры VCSEL 40 к лазерам VCSELS 43, данный вариант не требует использования процесса сплавления слоев.

В измененном варианте диэлектрическое зеркало 81 присоединено к лазеру VCSEL 43 с помощью известного в технике соединения диэлектрика с полупроводником.

В варианте изобретения, изображенном на фиг. 11, длинноволновая активная область 60 расположена между диэлектрическим зеркалом 42 и нижним зеркалом 90. Зеркало 90 формируется эпитаксиальным выращиванием чередующихся слоев InP и InAlAs. Для окончательной доводки зеркала структура протравливается с боковых сторон материала InAlAs. Алюминий в InAlAs потом окисляется по краям, создавая соединение In_wAl_xAs_yO_z, который имеет показатель преломления на много ниже, чем у InAlAs или у InP. В результате низкоотражающее зеркало превращается в высокоотражающее зеркало. Технология бокового окисления может быть также выполнена с компаундами, содержащими алюминий и сурьму. Фиг. 12 изображает графики коэффициента отражения для двух определенных зеркальных конструкций для варианта изобретения, в котором коротковолновые лазеры VCSEL 43 излучают на 980 нм, и длинноволновые лазеры VCSEL 40 излучают на 1550 нм. График 100 есть спектр отражения зеркала из GaAs/AlAs, подходящего для нижнего зеркала лазера VCSEL 40. Это зеркало пропускает на длине волны накачки и отражает на длине волны лазера 40. График 101 есть спектр отражения диэлектрического зеркала из SiO₂/TiO₂, подходящего для верхних зеркал лазеров VCSEL 40. Диэлектрическое зеркало может проектироваться так, чтобы либо пропускать, либо отражать на длине волны лазера VCSEL 43. Если диэлектрик пропускает на этой длине волны, как показано на графике 100, лазеры VCSEL 40 видят только один проход излучения от лазеров накачки VCSEL 43. Если диэлектрик отражает на длине волны накачки (не показано), тогда лазеры VCSEL 40 видят два прохода излучения от лазеров накачки 43. Изготавливая диэлектрическое зеркало частично отражающим, возможно проектировать двухпроходную конфигурацию, которая увеличивает поглощение, и, следовательно, эффективность накачки. Возможно также сделать оба, и верхнее и нижнее, зеркала длинноволновых лазеров VCSEL частично отражающими на длине волны накачки, создавая резонансное поглощение и увеличение эффективности накачки. Эту последнюю конфигурацию, однако, трудно осуществить.

Фиг. 13 изображает схематично конкретный длинноволновый лазер VCSEL, подходящий для использования в настоящем изобретении. Две квантовые щели 110 согласованной решетки InGaAs размещены на двух пиках оптической стоячей волны. Четверной InGaAsP материал 111, окружающий эти щели, поглощает излучение накачки и втягивает носители заряда в щели, где они переизлучают на 1550 нм. Коэффициент поглощения этого материала порядка 1.5·10⁴ см^-1, поэтому для показанных длин (0.7 мкм) 90 процентов падающего излучения поглощается за два прохода через резонатор. Фиг. 13 показывает, что длинноволновый резонатор имеет больший поперечный размер 112, чем поперечный размер накачки 113. Это обеспечивает не только более эффективное преобразование излучения накачки в длинноволновое излучение, но и одномодовый поперечный режим длинноволнового лазера VCSEL. В предпочтительном варианте реализации поперечный размер 112 длинноволнового лазера VCSEL определяется боковым изменением показателя преломления (т.е. заданием показателя преломления). Вариация показателя может определяться в любом или во всех вертикальных слоях устройства, и может быть выполнена путем химического травления, перекристаллизации, имплантации, диффузии, разупорядочения, избирательного роста или других технологий. Задание показателя преломления хорошо известно в технологии полупроводниковых лазеров.

Фиг. 14 изображает подробную схему энергетических зон предпочтительной конструкции поглощающего фильтра для варианта, показанного на фиг. 13. Вертикальная ось этой схемы представляет вертикальное расстояние в структуре, а горизонтальная ось представляет относительную энергию. График 114 показывает уровень энергии как функцию вертикального расстояния для валентной зоны. График 115 показывает уровень энергии как функцию вертикального расстояния для зоны проводимости. В этом воплощении поглощающий материал 111 композиционно подбирается так, чтобы создать встроенное электрическое поле. Встроенное электрическое поле настроено на такие скорость и эффективность, с которыми фотогенерированные носители заряда собираются в квантовых щелях 110. В этой конструкции поглотитель 111 содержит композиционно подобранные InGaAsP 116 и 117. Части 116 подобраны из материала с шириной запрещенной зоны от 1.15 мкм - внизу и до 1.3 мкм - наверху. Части 117 подобраны из материалов с шириной запрещенной зоны от 1.3 мкм - внизу и до 1.15 мкм - наверху. Барьерный слой 118 из InP показан на этой схеме. Хотя фиг. 13 и следующие расчеты предполагают квантовые щели с согласованной решеткой, идеальные квантовые щели 110 относительно сжаты по сравнению с окружающими слоями.

Мощность на длине волны 1550 нм по сравнению с мощностью на длине волны 980 нм лазера накачки VCSEL в предпочтительном воплощении дается формулой:
(1) P_1.5 = (P_.98-P_th)·η_i·η_conv·[T/(T+A)],
где η_i = доля инжектированных фотонов, рекомбинирующих излучательно в щелях;
η_conv = энергетические потери от 980 нм до 1550 нм = 980/1550 = 0.63;
T = относительная прозрачность выходного зеркала на 1550 нм;
A = доля световых потерь на поглощение/рассеивание/дифракцию за один проход;
P_th = мощность накачки, требуемая для достижения порога.

Пороговая мощность накачки может быть рассчитана с помощью зависимости усиления квантовой щели, показанной на фиг. 15. Чтобы достигнуть порога, квантовые щели должны обеспечить усиление за один проход "туда - обратно" равное потерям за один такой же проход, которые составляют T + A. Поскольку резонатор не содержит легирующие добавки, потери на поглощение/рассеяние/дифракцию за один проход могут быть очень маленькими, приблизительно 0.1 процент. При заданной прозрачности на выходе около 0.3 процента, пороговое усиление составляет 0.4 процента.

Если обе щели накачиваются одинаково, то приемлемо такое допущение для двухпроходного поглощения, что каждая щель должна обеспечить усиление за один проход "туда - обратно" около 0.2 процента, или 0.1 процент за один проход. При заданной ширине щели 80 ангстрем это требование можно преобразовать так, что усиление на единицу длины должно быть равно 1250 см^-1. Это значение можно перевести в требуемую плотность тока или плотность мощности с помощью фиг. 15. Поскольку фиг. 15 не содержит периодического роста усиления 2, когда квантовые щели находятся на пике стоячей волны, то приблизительное значение для усиления на единицу длины составит 1250/2 = 625 см^-1. В соответствии с фиг. 15, для достижения усиления 625 см^-1 плотность тока должна быть 270 A/см². Полная требуемая плотность тока составляет 540 A/см², т.к. имеются две квантовых щели или соответственно поглощаемая плотность мощности должна быть 680 Вт/см². Если предположить, что поглощается 85 процентов излучения накачки, то для достижения порога необходимо 800 Вт/см². Если эта мощность равномерно распределена по 10-микрометровому диаметру лазера VCSEL, тогда полная мощность, требуемая для достижения порога, составит 0.6 мВт. Поскольку некоторые из инжектированных носителей могут рассеивать свет вокруг оптической моды, то число инжектированных носителей, требуемых для достижения порога, будет выше расчетного. Поэтому, чтобы компенсировать потерянные носители, пороговая мощность приближается к 1 мВт.

Фиг. 16 изображает график уравнения (1) при η_i = 0.85 и η_conv = 0.63. Фиг. 16 показывает, что для этого конкретного варианта изобретения выходную мощность приблизительно 1 мВт можно достигнуть при мощности накачки на длине волны 980 нм около 4 мВт. Увеличением мощности накачки, улучшением эффективности поглощения или использованием более высокого среднего усиления можно увеличить выходную мощность. Большие выходные мощности можно также получить с помощью структуры, изображенной на фиг. 8.

График зависимости выходной мощности от входной мощности на фиг. 16 показан в большом диапазоне мощности как линейный. Типичные зависимости электрически накачиваемого лазера VCSEL показывают колебания (отклонения от прямой) из-за нагрева на больших управляющих токах. Этот эффект не показан на фиг. 16, т.к. нагрев во время оптической накачки намного меньше, чем во время электрической накачки. Например, тепловое сопротивление в структуре, показанной на фиг. 4, составляет около 1К на мВт. Это означает, что 1 мВт теплоты, поступившей в резонатор, приведет к повышению температуры на 1К. В примере, приведенном выше, требовалась мощность накачки 4 мВт, чтобы генерировать выходную мощность длинноволнового излучения около 1 мВт. Даже если все оставшиеся 3 мВт перевести в тепло, что маловероятно, то результатом может быть повышение температуры в длинноволновом резонаторе всего на 3 К. В значительном контрасте, в электрически накачиваемом VCSEL можно ожидать увеличение температуры в несколько десятков градусов К.

В другом воплощении изобретения длинноволновое излучение распространяется в направлении, противоположном направлению излучения накачки. Фиг. 17 изображает схему возможной структуры этого варианта. В этой структуре коротковолновая активная зона 31 расположена между двумя коротковолновыми зеркалами 85 и 86. Зеркала 86 отражают почти 100 процентов коротковолнового излучения, но в значительной степени прозрачны для длинноволнового излучения. В измененной структуре, схематично показанной на фиг. 18, длинноволновые лазеры VCSEL 40 слегка наклонены по отношению к коротковолновым лазерам VCSEL 43. Наклон двух матриц позволяет длинноволновому излучению проходить мимо коротковолновых зеркал 86.

Для специалиста понятно, что настоящее изобретение может быть реализовано и в других конкретных вариантах без отступления от сущности и характеристик последнего. Соответственно приведенное описание предпочтительных вариантов изобретения предназначено не для ограничения, а для иллюстрации сущности изобретения, которая ниже оговаривается формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Оптическое устройство, содержащее первый лазер с вертикальным резонатором с излучающей поверхностью (VCSEL), имеющий длинноволновую активную среду, расположенную между первым зеркалом и вторым зеркалом, излучающий на первой длине волны, второй лазер VCSEL, электрически накачиваемый и излучающий на второй длине волны, короче, чем первая длина волны, отличающееся тем, что второй лазер VCSEL оптически накачивает первый лазер VCSEL.

2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит средство для электрического модулирования второго лазера VCSEL, и модуляция второго лазера VCSEL модулирует первый лазер VCSEL.

3. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит средство для электрического модулирования первого лазера VCSEL.

4. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первое и второе зеркала пропускают излучение на второй длине волны.

5. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первое зеркало пропускает излучение на второй длине волны, и второе зеркало отражает излучение на второй длине волны.

6. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одно из указанных первого и второго зеркал первого лазера VCSEL образовано из чередующихся слоев материалов, выбранных из группы арсенида галлия, арсенида алюминия, алюмо-галлиевого арсенида и арсенида алюминия, а также тем, что указанное зеркало присоединено сплавлением слоев к длинноволновой активной среде.

7. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере, одно из указанных первого и второго зеркал является диэлектрическим зеркалом.

8. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одно из указанных первого и второго зеркал образовано из чередующихся слоев фосфида индия и алюмо-мышьякового оксида индия.

9. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый лазер VCSEL сплавлен слоями со вторым лазером VCSEL.

10. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит слой оптического клея на поверхности раздела между первым лазером VCSEL и вторым лазером VCSEL.

11. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первый лазер VCSEL соединен со вторым лазером VCSEL с помощью металлической пайки.

12. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительный материал металлической пайки содержит припой, включающий индий.

13. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первое зеркало первого лазера VCSEL образовано из чередующихся слоев арсенида галлия и арсенида алюминия, а первое зеркало и второй лазер VCSEL выращены в едином процессе эпитаксиального роста.

14. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первая длина волны равна приблизительно 1300 нм, а вторая длина волны равна приблизительно 980 нм.

15. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первая длина волны равна приблизительно 1550 нм, а вторая длина равна приблизительно 980 нм.

16. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первый лазер VCSEL имеет первую оптическую моду с первым поперечным сечением, а второй лазер VCSEL имеет вторую оптическую моду со вторым поперечным сечением, и первое поперечное сечение больше, чем второе поперечное сечение.

17. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первый лазер VCSEL имеет первую оптическую моду, определенную боковой вариацией показателя преломления.

18. Оптическое устройство по п.17, отличающееся тем, что боковая вариация показателя преломления образована химическим травлением, перекристаллизацией, имплантацией, диффузией, разупорядочением или избирательным выращиванием.

19. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит механическую прокладку между первым лазером VCSEL и вторым лазером VCSEL и, по крайней мере, одну микролинзу из арсенида галлия, расположенную между первым лазером VCSEL и вторым лазером VCSEL, фокусирующую излучение из второго лазера VCSEL на первый лазер VCSEL.

20. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что первая длинноволновая активная среда содержит первый набор слоев, поглощающих вторую длину волны, и второй набор слоев с квантовыми щелями.

21. Способ стимулирования излучения в первом лазере с вертикальным резонатором с излучающей поверхностью (VCSEL), вызывающий излучение на первой длине волны, испускаемым первым лазером VCSEL, отличающийся тем, что включает введение излучения в первый лазер VCSEL на второй длине волны вторым лазером VCSEL, которая короче, чем первая длина волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18