Инжекционный лазер

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к полупроводниковым лазерам, которые могут быть использованы, например, в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения расходимости излучения инжекционного лазера при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения и упрощения технологии его изготовления. Сущность: в инжекционном лазере, содержащем гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, расположение активной области в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению Г⁰ _QW/Г^m _QW>1.7, где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3...) соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волноводного слоя, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения. Расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии в волноводе дырок и электронов соответственно. 4 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к полупроводниковым лазерам. Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе максимальные КПД и мощность излучения.

Создание полупроводникового лазера, сочетающего в себе высокие значения КПД и мощности непрерывного излучения, является актуальной задачей.

Основным достоинством полупроводникового лазера как источника когерентного излучения является высокая эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, высокая надежность, широкий диапазон длин волн излучения. Высокие значения КПД и мощности излучения продемонстрированы полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) на базе асимметричных гетероструктур [1], [2] и гетероструктур с расширенным волноводом [3].

Структура, представленная в [1], включает два ограничительных слоя, характеризуемых разными показателями преломления и выполняющих одновременно роль широкозонных сильнолегированных эмиттеров, при этом показатель преломления ограничительного слоя Р-типа электропроводности больше показателя преломления ограничительного слоя N-типа электропроводности. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=0.793 мкм. В волноводном слое на расстоянии 0.11 мкм от эмиттера N-типа электропроводности (асимметрично относительно плоскости симметрии волновода) располагается активная область. Активная область состоит из двух квантовых ям и помещена в область, выполняющую роль встроенного волновода, толщиной d=0.043 мкм (помещена в область, характеризуемую большим показателем преломления, чем основной волноводный слой). Характерной особенностью расположения активной области является то, что фактор оптического ограничения Г (т.е. доля оптического излучения данной моды, распространяющегося в резонаторе, приходящаяся на активную область) для моды первого порядка активной области больше, чем для нулевой моды.

Структура, представленная в [2], состоит из двух ограничительных слоев, характеризуемых разными показателями преломления и выполняющих одновременно роль широкозонных сильнолегированных эмиттеров, при этом показатель преломления ограничительного слоя Р-типа электропроводности меньше показателя преломления ограничительного слоя N-типа электропроводности. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=1 мкм. В волноводном слое расположена активная область, состоящая из одной квантовой ямы. Квантовая яма смещена относительно плоскости симметрии волноводного слоя в сторону более широкозонного ограничительного слоя. Расстояние между ближайшим ограничительным слоем и квантовой ямой составляет ˜0.4 мкм. Так же, как в [1], активная область помещена в область, выполняющую роль встроенного волновода, толщиной d=0.043 мкм (область, характеризуемую большим показателем преломления, чем основной волноводный слой). Характерной особенностью структуры является то, что волновод одномодовый.

В работах [1], [2] асимметричные гетероструктуры выполняются только с целью снижения доли фундаментальной оптической моды для поперечного волновода (в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры), приходящейся на активную область. Поэтому выбор толщин волноводных слоев ограничиваются диапазоном D=1.2·λ_генер; где λ_генер - длина волны генерации. При этом использование для эмиттерных слоев твердых растворов с разными показателями преломления способствует более глубокому проникновению поля фундаментальной моды в сильнолегированную область эмиттерного слоя с большим показателем преломления. Это приводит к росту внутренних оптических потерь, и, как следствие, такие лазерные диоды уступают по своим излучательным характеристикам лазерным диодам с симметричным положением активной области в многомодовом волноводе [3].

Однако низкая направленность выходного излучения (28-36°) является общим существенным недостатком лазерных диодов, выполненных на базе гетероструктур раздельного ограничения [1], [2], [3].

Наиболее действенный метод решения поставленной проблемы предложен в [4], где используется эффект вытекания излучения. В общем случае гетероструктура лазера [4] состоит из следующих слоев: активного слоя, к которому с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Экспериментально на таких инжекционных лазерах была получена мощность излучения 2 Вт для длины волны излучения 980 нм, при ширине накачиваемой полосковой области, равной 6 мкм. Пороговый ток был получен равным 25 мА. Минимальный угол расходимости в вертикальной плоскости был получен равным 6.9°.

Существенным недостатком лазерных диодов, полученных на основе гетероструктур, работающих на вытекающей моде, является более слабая локализация электромагнитного поля в активной (усиливающей) области, чем для классических лазерных гетероструктур раздельного ограничения. Это связано с эффектом вытекания излучения из активного слоя, лежащим в основе принципа работы предложенной конструкции. Следствием такой слабой локализации оптического поля является высокая пороговая концентрация носителей заряда в активной области, что ведет к увеличению значения пороговой плотности тока и падению КПД лазерного диода. Кроме этого, выбор гетероструктуры, обеспечивающей работу лазера в переходной области формирования вытекания излучения, накладывает жесткие требования на температурные режимы работы лазерного диода и также является недостатком. Это связано с тем, что температура оказывает существенное влияние на пороговую концентрацию свободных носителей заряда в активном слое, которая в свою очередь влияет на значение показателя преломления этого слоя. Изменение показателя преломления активного слоя ведет к изменению эффективного показателя преломления, а значит, и к выходу рабочей точки лазера из узкой переходной области формирования вытекания излучения и, как следствие, нестабильности излучательных характеристик.

Конструкция лазера, взятая за прототип [5], позволяет достичь высоких значений КПД и мощности излучения.

В качестве базовой конструкции прототипа взята двойная гетероструктура раздельного ограничения (ДГСРО). ДГСРО включает в себя следующие составные части:

- волноводный слой, характеризующийся толщиной (D_O), шириной запрещенной зоны (E_{g в}) и показателем преломления (n_в); E_{g в} и n_в напрямую связаны со свойствами материала волноводного слоя;

- слои оптических ограничителей (эмиттеров); волноводный слой помещается между слоями оптических ограничителей; основная функция слоев оптических ограничителей - удерживать лазерное излучение в волноводном слое. Из этого следуют основные требования к свойствам материала этих слоев: они должны иметь показатели преломления (n_oo) меньше, а ширины запрещенных зон больше, чем у волноводного слоя;

- активную область, расположенную в волноводном слое, которая может включать в свой состав по меньшей мере один активный слой. Активная область выполняет функцию усиливающей среды. Для этого требуется выполнение необходимого условия - в активной области должна быть создана инверсная населенность, поэтому материал активной области должен обладать меньшей шириной запрещенной зоны, чем волновод.

Присутствие волновода в такой структуре ведет к тому, что распределение интенсивности лазерного излучения в направлении, перпендикулярном слоям, может иметь строго определенную из волнового уравнения форму - моду излучения [6, с.35-43, 48-53]. Таких возможных мод может быть несколько, их количество зависит от параметров слоев гетероструктуры (D_O, n_в, n_оо). Эта форма непосредственно определяет геометрические параметры пучка лазерного излучения, выходящего из резонатора, в частности - расходимость излучения [6, с.89-98]. Основной принцип работы лазеров на базе ДГСРО заключается в том, что энергия, закачиваемая в активный объем лазера, преобразуется в лазерное излучение, т.е. излучение, обладающее высокой временной и пространственной когерентностью. В случае полупроводникового лазерного диода (в нашем случае) энергия закачивается посредством пропускания электрического тока - электрическая накачка. Излучение, выходящее из активной области и распространяющееся в волноводе, приобретает свойства лазерного излучения только после выполнения пороговых условий генерации - усиление в активной области равно всем потерям излучения в лазерном диоде:

где g - материальное усиление, α^m _int, α^m _ext - внутренние и внешние оптические потери для m-ой моды соответственно, - фактор оптического ограничения для активной области для m-той моды. Способность среды усиливать излучение определяется величиной g, зависит от количества неравновесных носителей, закачиваемых в активную область, и может быть представлено в виде следующего соотношения:

где g₀ - материальное усиление среды, когда J_th=e·J₀, J_th - пороговая плотность тока, J₀ - плотность тока прозрачности. Видно, что чем больше пороговый ток - количество носителей в активной области, тем выше способность среды к усилению. Из соотношения (1) видно, что на выполнение порогового условия влияет не только способность среды к усилению, которую определяет соотношение (2), но и доля оптического излучения моды m, распространяющегося в резонаторе, приходящейся на активную область - . Так, в случае, когда суммарные оптические потери постоянны, можно достичь порога генерации для какой-то из мод m при меньшем пороговом токе по сравнению с остальными модами, если увеличим значение фактора оптического ограничения активной области для этой моды m - - по сравнению с остальными. Здесь необходимо отметить, что после того как пороговое условие (1) было выполнено, при дальнейшем увеличении тока накачки пороговая концентрация в активной области не растет, т.е. усиление стабилизируется.

Для создания лазерного диода с максимальной мощностью излучения при максимальном КПД необходимо минимизировать влияние паразитных факторов. Основными факторами, влияющими на эти параметры для лазерного диода, работающего в непрерывном режиме генерации, являются поглощение излучения в области резонатора и температурный разогрев. Первый связан с величиной внутренних оптических потерь. Второй с термическим выбросом носителей из активной области, а значит, снижением внутренней эффективности преобразования подводимой энергии в лазерное излучение, и зависит от величины барьеров на границах волновод - эмиттер и волновод - квантовая яма.

Так как от величины барьеров, образованных разрывами зон проводимости и валентными зонами эмиттеров и волноводов, зависит интенсивность тока утечки носителей из волновода в эмиттер, они не могут быть ниже некоторой критической величины, характеризуемой энергией активации данного процесса. В свою очередь, глубина квантовой ямы при заданной ширине запрещенной зоны волновода определяет температурную чувствительность порогового тока. В общем случае нижний предел величины разрывов зон для всех границ - это 2 kT, но чем больше эта величина, тем меньшее влияние оказывает повышение температуры на излучательные характеристики лазерного диода. Из вышесказанного следует, что отправной точкой в выборе параметров слоев гетероструктуры является длина волны генерируемого излучения, исходя из которой определяются составы слоев. В качестве примера здесь и далее эта величина выбирается равной 1060 нм. Из вышесказанного следует, что выбор составов твердых растворов эмиттерных и волноводных слоев должен быть основан в первую очередь на требовании минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям. На базе проведенных ранее исследований излучательных характеристик лазерных диодов [7] и из технологических соображений качества получающихся слоев в [5] были выбраны следующие составы: Al_0.3Ga_0.7As (Eg=1.8 эВ) и GaAs (Eg=1.43 эВ) для эмиттерных и волноводных слоев соответственно. Задача достижения максимальной мощности излучения лазерного диода в непрерывном режиме генерации требует, чтобы гетероструктура, на базе которой выполнен данный лазерный диод, обладала минимальными внутренними оптическими потерями. Чем меньше величина внутренних оптических потерь, тем большей мощности излучения можно достичь. Известно [8], что внутренние оптические потери для моды m - α^m _int можно представить в виде

где α^m _QW - оптические потери в активной области, α^m _CL - оптические потери в эмиттерах, α^m _W - потери в волноводных слоях, при этом основной вклад в величину α^m _int вносят α^m _QW и α^m _CL, и если α^m _QW практически очень сложно снизить, то на величину α^m _CL можно повлиять, изменяя параметры лазерной гетероструктуры (толщину волновода и разницу между показателями преломления волновода и эмиттеров). Величина α^m _CL зависит от фактора оптического ограничения эмиттерных слоев - доли поля моды m, приходящейся на эмиттерные слои. Фактор оптического ограничения эмиттерных слоев можно уменьшить несколькими способами:

- увеличивая толщину волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттера;

- увеличивая разность между показателями преломления волновода и эмиттера при сохранении толщины волновода;

- увеличивая одновременно толщину волновода и разность между показателями преломления волновода и эмиттера.

При условии, что составы эмиттерных и волноводного слоя были зафиксированы выше, исходя из требований минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям и технологической целесообразности, единственный способ снижения внутренних оптических потерь заключается в увеличении толщины волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттеров. Использование любого из этих способов для достижения минимальных внутренних оптических потерь ведет к увеличению эффективной толщины волновода D_эфф, определенной из [9] как

где D_o - толщина многомодового волновода, λ_ген - длина волны генерации, n_в - показатель преломления материала волновода, n_оо - показатель преломления эмиттеров. Следствием увеличения эффективной толщины волновода является то, что выполняются условия отсечки не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка, т.е. волновод становится многомодовым [6, с.35-43, 48-53], [3]. Это значит, что для структуры, характеризуемой D_O, λ_ген, n_в, n_оо, волновое уравнение имеет более одного решения [6, с.35-43, 48-53]. В работе [3] использовалась гетероструктура с многомодовым волноводом (волновое уравнение имело три решения), в котором были выполнены условия отсечки для трех мод. Было показано, что симметричное положение активной области в многомодовом волноводе ведет к тому, что выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это привело к увеличению расходимости излучения на уровне 1/е² интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, с 62.5° до 75°. Выполнение пороговых условий для мод высших порядков ведет к деградации излучательных характеристик. В первую очередь это отражается на расширении диаграммы направленности излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, и снижении максимальной мощности излучения в связи с тем, что возрастают внутренние оптические потери, т.к. моды высших порядков больше проникают в сильнолегированные эмиттеры. Поэтому необходимо найти способ подавления мод высших порядков в многомодовых волноводах.

Известно, что пороговое условие для m-той моды электромагнитного поля в волноводе имеет вид (1). Вполне очевидно, чтобы пороговое условие (1) выполнялось для нулевой моды и не выполнялось для мод высших порядков, необходимо выполнение следующего неравенства

где m=0, 1, 2, 3....

Чтобы найти положения активной области, в которых неравенство (5) выполняется для структуры с выбранными значениями: n_оо - показатель преломления слоев оптического ограничения, n_в - показатель преломления волноводного слоя, D_O - толщина волноводного слоя, решалось волновое уравнение [6, с.35-43, 48-53]. Из волнового уравнения находилось распределение поля в данной структуре. В данном случае волновое уравнение имеет три решения - это значит, что существует три возможные конфигурации поля в данной структуре. Определив конфигурацию поля на основании определения значения Г-фактора оптического ограничения [6, с.69], можно рассчитать значение фактора оптического ограничения для активной области при любом ее положении в рассматриваемой гетероструктуре для рассчитанного распределения поля (моды). На основании таких расчетов можно построить зависимость значения фактора оптического ограничения для активной области от ее положения в многомодовом волноводе для каждой из существующих в таком волноводе мод. Построив такие зависимости, нетрудно найти положения, в которых неравенство (5) выполняется.

На Фиг.1 показаны зависимости факторов Г (отн.ед.) оптического ограничения всех существующих в рассматриваемом волноводе мод от положения k (мкм) активной области в волноводе, где 1, 2, 3 - зависимости для нулевой, второй и третьей мод соответственно, k (мкм) - величина смещения активной области относительно плоскости симметрии волновода. Отрицательные и положительные значения k соответствуют смещению активной области относительно центра волновода в сторону эмиттера Р- и N-типа электропроводности соответственно. Как видно из этих зависимостей, даже при положении активной области в центре волновода неравенство (5) выполняется. Но, как показано в [3], при расположении активной области в центре многомодового волновода выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это приводит к увеличению расходимости излучения. Поэтому недостаточно любого превышения Г⁰ _QW над Г^m _QW для подавления мод высшего порядка по сравнению с нулевой модой. В прототипе был найден коэффициент q, определяющий необходимое минимальное превышение Г⁰ _QW над Г^m _QW, при котором моды высших порядков окажутся подавленными, и пороговое условие будет выполнено только для нулевой моды. Минимальное значение этого коэффициента (определенное авторами в [5]) q=1.7. В этом случае неравенство (5) перепишется как

Из Фиг.1 видно, что условию (6) в наибольшей степени удовлетворяют определенные положения активной области, смещенные относительно центра волновода. Такие положения можно считать необходимыми с точки зрения селекции мод высших порядков. Таким образом, смещение активной области относительно центра многомодового волновода в положение, где выполняется неравенство (6), является необходимым условием выполнения порогового соотношения только для нулевой моды. Толщина многомодового волновода выбирается из условия выполнения неравенства (6) хотя бы для одного положения активной области в волноводе. При увеличении толщины волновода наступает момент, когда неравенство (6) перестает выполняться, что свидетельствует о снижении селективной способности структуры. В прототипе толщина многомодового волновода была ограничена величиной Do=1.7 мкм, при которой неравенство (6) при необходимом положении активной области в многомодовом волноводе выполняется. Структура прототипа, представленная в [5], включает два ограничительных слоя из Al_0.3Ga_0.7As (Eg=1.8 эВ), характеризуемых одинаковыми показателями преломления и выполняющих одновременно роль широкозонных сильнолегированных эмиттеров Р- и N-типа электропроводности. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной 1.7 мкм. В волноводном слое из GaAs (Eg=1.43 эВ) на расстоянии 0.65 мкм от эмиттера Р-типа электропроводности (асимметрично относительно плоскости симметрии волновода) располагается активная область. Активная область состоит из одной InGaAs (Eg=1.17 эВ) квантовой ямы. Для лазерного диода, изготовленного из такой структуры, удалось достичь рекордных значений выходной мощности излучения до 16 Вт в непрерывном режиме излучения и КПД до 74%. Расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, составляет немалую величину - 30°. Таким образом, совместить малые значения расходимости излучения с величинами, характеризующими эффективность работы лазерного диода (КПД и мощность излучения), не удавалось. Поэтому на настоящий момент остается актуальной проблема создания полупроводникового лазера, обладающего уменьшенной расходимостью при одновременно высоких мощности излучения и КПД. Кроме того, необходимость расположения активной области (которая имеет достаточно малую величину) с высокой точностью приводит к усложнению технологии изготовления лазерной гетероструктуры.

Предлагаемое изобретение решает задачи обеспечения возможности уменьшения расходимости излучения полупроводникового (инжекционного) лазера при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения и упрощения технологии его изготовления.

Задачи решаются тем, что в известном инжекционном лазере, содержащем гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению Г⁰ _QW/Г^m _QW>1.7, где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3...) соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, новым является то, что активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волноводного слоя, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии в волноводе дырок и электронов соответственно.

В предложенном техническом решении обеспечение возможности уменьшения расходимости излучения стало возможным за счет того, что активная область располагается в дополнительном слое, толщина, расположение и показатель преломления которого делают его эффективным волноводом для нулевой моды, а для мод высшего порядка нет. Это выражается в том, что резко возрастает разница между факторами оптического ограничения для активной области основной моды и мод высшего порядка. Использование такого слоя резко увеличивает значение фактора оптического ограничения для активной области нулевой моды, при этом значения факторов оптического ограничения для активной области мод высшего порядка остаются практически неизменными. Это дает возможность увеличения толщины волновода, что приводит к тому, что уменьшаются внутренние оптические потери, а также значительно расширяется область, для которой справедливо основное условие подавления мод высших порядков Г⁰ _QW/Г^m _QW>1.7. Куполообразная зависимость Г(k), возникающая при введении в волновод дополнительного слоя, дает возможность увеличить диапазон флуктуации положения активной области в многомодовом волноводе. Это позволяет также снизить технологическое требование к росту слоев гетероструктуры с прецизионной точностью к их толщинам и, таким образом, упростить процесс изготовления гетероструктуры.

Для создания предлагаемого лазера, принимая во внимание длину волны генерации, выбирают материалы для слоев оптического ограничения, волновода и дополнительного слоя лазерной гетероструктуры, лежащей в основе изобретения. Выбор основывается на тех же принципах, которые были изложены для прототипа и аналогов. Учитывая желаемую полуширину дальнего поля на половине интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу (Θ⊥), используя соотношение из работы [6, с.94], связывающее значение Θ⊥ с распределением поля в гетероструктуре и волновое уравнение, которое связывает распределение поля в гетероструктуре с параметрами слоев, определяют возможные толщины основного волновода и дополнительно введенного слоя. Для определения положения дополнительно введенного в основной волновод слоя, в котором расположена активная область, находят все решения волнового уравнения для определения всех возможных конфигураций поля, далее определяют зависимость фактора оптического ограничения активной области, расположенной в дополнительно введенном в волновод слое, от положения этого дополнительно введенного слоя в волноводе для всех определенных конфигураций поля. Далее проверяют выполнение условия (6) и из всех положений дополнительно введенного слоя, для которых неравенство (6) выполняется, выбирают любое, в котором расстояния от слоев оптического ограничения, выполняющих одновременно роль широкозонных эмиттеров, до активной области не больше длины диффузии инжектированных носителей заряда.

На Фиг.2 представлена схематическая диаграмма, показывающая распределение показателя преломления n слоев гетероструктуры в направлении X, перпендикулярном ее слоям. D - толщина волновода, d - толщина дополнительного слоя. 4 - n-типа слой оптического ограничения, 5 - р-типа слой оптического ограничения (слои широкозонных эмиттеров), 6 - волновод, 7 - дополнительно введенный слой, 8 - активная область.

На Фиг.3 представлено схематическое изображение сечения одного из примеров выполнения предлагаемого инжекционного лазера, который в общем случае включает в себя следующие элементы: подложка 9 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 10, с противоположной стороны располагается легированный примесью n-типа слой оптического ограничения (широкозонный эмиттер) 4, далее расположены: первая часть основного волноводного слоя 6, первая часть дополнительного слоя 7, активная область 8, вторая часть дополнительного слоя 7, вторая часть основного волноводного слоя 6, легированный примесью р-типа слой оптического ограничения 5, контактный слой 11, легированный примесью р-типа, омический контакт 12. На сколотую грань 13 нанесены просветляющие (R=5%) диэлектрические покрытия, на сколотую грань 14 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия. Грани 13 и 14 образуют резонатор Фабри-Перо.

Работа лазера.

Через омические контакты 10 и 12 пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению р-n перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения, через просветляющее покрытие, нанесенное на грань 13, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока, который также определяет значение КПД. Расходимость в вертикальной плоскости определяется выбранными параметрами гетероструктуры.

Пример.1

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1060 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры прототипа: активная область 8 была выполнена из одной квантовой ямы из твердого раствора InGaAs толщиной с шириной запрещенной зоны 1.2 эВ, волновод 6 - из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As (n=3.358), эмиттерные слои 4 и 5 - из твердого раствора Al_0.38Ga_0.62As (n=3.323). Была выбрана предварительная толщина волноводного слоя 6 (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения) D_O=4 мкм. Для волновода, выполненного из Al_0.3Ga_0.7As с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3 (длина диффузии электронов - L_N=9 мкм и дырок - L_P=2 мкм), она составляла D_O=4 мкм. В волновод 6 был введен дополнительный слой 7. Материал твердого раствора дополнительного слоя был выбран таким, что n_д>n_в. Для волновода из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As (n=3.358) дополнительный слой выполнен GaAs (n=3.486). Толщина дополнительного слоя d была предварительно выбрана равной . Активная область 8 располагалась в центре дополнительного слоя 7. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений дополнительного слоя в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя.

На Фиг.4 показаны зависимости факторов оптического ограничения активной области Г_QW всех существующих в рассматриваемом волноводе (D_О=4 мкм) мод от положения дополнительного слоя в волноводе, где 1, 2, 3, 15 - зависимости для нулевой, первой, второй и третьей мод соответственно, k - величина смещения активной области относительно плоскости симметрии волновода. Отрицательные и положительные значения k соответствуют смещению активной области относительно центра волновода в сторону эмиттера р- и n-типа электропроводности соответственно. Из Фиг.4 видно, что в случае, когда активная область, расположенная в дополнительном слое, находится, например, на расстоянии 1.46 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (6) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно. Из зависимостей, показанных на Фиг.4, видно, что использование встроенного слоя позволяет значительно расширить диапазон возможных положения активной области в волноводе толщиной D_O=4 мкм по сравнению с прототипом. Так, для прототипа диапазон положений активной области в волноводе, в котором выполняется неравенство (6) - 0.04 мкм, а для структуры со встроенным в волновод слоем этот диапазон - 1.66 мкм (форма кривой для нулевой моды приближается к П-образной). Это стало возможным за счет того, что введенный дополнительный слой является эффективным волноводом только для нулевой моды. Поэтому значения факторов оптического ограничения для активной области структуры с дополнительно введенным слоем в каждом из возможных положений активной области в волноводе больше аналогичных значений факторов оптического ограничения для активной области структуры без дополнительно введенного слоя. При этом значения факторов оптического ограничения для активной области мод высшего порядка обеих структур практически не отличаются в каждом из возможных положений активной области в волноводе.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 9 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения 4, выполненный из твердого раствора Al_0.4Ga_0.6As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 1.46 мкм, далее располагается первая часть дополнительного слоя 7, выполненного из GaAs толщиной далее располагается квантовая яма 8, выполненная из твердого раствора InGaAs толщиной , далее располагается вторая часть дополнительного слоя 7, выполненного из GaAs толщиной далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 2.52 мкм, далее располагается легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения 5, выполненный из твердого раствора Al_0.4Ga_0.6As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 11, выполненный из GaAs тoлщинoй 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 12. На одну из сколотых граней 13 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 14 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между гранями оптическими гранями) составляет 4 мм. Для такого лазерного диода коэффициент полезного действия достигает значения 74%, мощность излучения в непрерывном режиме генерации достигает 16 Вт, расходимость излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, во всем диапазоне токов накачки составляет величину 14°. При этом возможные флуктуации положения дополнительного слоя с активной областью и его ширины не влияют на параметры лазера вследствие возникновения более широкой области, в которой выполняется неравенство (6).

Пример 2

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1060 нм) были взяты составы слоев гетероструктуры из примера 1, однако толщина волновода Do была увеличена и взята больше D_пред, где D_пред - толщина волновода прототипа, при которой может быть найдено только единственное положение активной области, в котором выполняется неравенство (6). В этом случае D_пред=4.5 мкм. В качестве примера выберем толщину волновода, равную 5.5 мкм. Толщина дополнительного слоя d была предварительно выбрана . Активная область располагалась в центре дополнительного слоя. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений дополнительного слоя в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Когда активная область, расположенная в дополнительном слое, находится, например, на расстоянии 1.56 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (6) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 9 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 слой оптического ограничения 4, выполненный из твердого раствора Al_0.4Ga_0.6As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 1.56 мкм, далее располагается первая часть дополнительного слоя 7, выполненного из GaAs толщиной далее располагается квантовая яма 8, выполненная из твердого раствора InGaAs толщиной , далее располагается вторая часть дополнительного слоя 7, выполненного из GaAs толщиной далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 3.92 мкм, далее располагается легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3 слой оптического ограничения 5, выполненный из твердого раствора Al_0.4Ga_0.6As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 11, выполненный из СаАs толщиной 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 12. На одну из сколотых граней 13 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 14 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между гранями оптическими гранями) составляет 4 мм. Для такого лазерного диода коэффициент полезного действия достигает значения 74%, мощность излучения в непрерывном режиме генерации достигает 16 Вт, расходимость излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, во всем диапазоне токов накачки составляет величину 11°.

Литература

1. J.J.Lee, L.J.Mawst, D.Botez. IEEE Photonics Technology Letters, v.14, No.8 (2002), pp.1046-1048.

2. M.Buda, T.G. van de Roer, L.M.F.Kaufmann, Gh.Iordache, D.Cengher, D.Diaconescu, I.B.Petrescu-Prahova, J.E.M.Haverkort, W. van der Vleuten, J.H.Wolter. IEEE J.Quantum Electron (1997), v.3, No.2, p.173-179.

3. A.Al-Muhanna, L.J.Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelly, J.C.Conolly. Appl. Phys. Lett., v.73, No.9 (1998), p.1182-1184.

4. Патент №2197048, опубл. 20.01.2003, RU.

5. S.O.Slipchenko, V.A.Kapitonov, M.A.Khomylev, A.Yu.Leshko, A.L.Stankevich, D.A.Vinokurov, N.A.Pikhtin and I.S.Tarasov. Proc. 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" (2004), p.97-98.

6. Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах. Москва, Мир, 1981.

7. Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, Д.Н.Николаев, А.Л.Станкевич, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, И.Н.Арсентьев, И.С.Тарасов. ФТП, 2001, 35, с.1380 (2001).

8. Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, 38, 374 (2004).

9. D.Botez. Appl.Phys.Lett., 74, с.3102 (1999).

Инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению

Г⁰ _QW/Г^m _QW>1,7,

где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3...) соответственно,

отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, отличающийся тем, что активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до p- и n- эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.