ГЕТЕРОСТРУКТУРА ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1530-1565 нм.
Для достижения высокого оптического усиления и высокого дифференциального оптического усиления в активной области вертикально-излучающего лазера используется полупроводниковая периодическая структура, состоящая из слоев, образующих квантовые ямы и слоев, образующих потенциальные барьеры.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура, состоящая из подложки GaAs, распределенных брэгговских отражателей, сформированных на основе гетеропары GaAs/AlGaAs, обкладок волновода InAlAs и активной области, состоящей из слоев InGaAs и слоев InGaAlAs [U.S. Patent No. 6,721,348, 13 Apr. 2004. МПК: H01S 5/18358], в этом случае увеличение усиления достигается за счет увеличения числа слоев, образующих квантовые ямы. Для создания активной области в прототипе используются слои, образующие туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры. Недостатком описанной конструкции является отсутствие оптического усиления в слоях, образующих туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры, поскольку носители заряда локализованы преимущественно в области квантовых ям, таким образом, значительная по объему часть активной области не участвует в усилении света. Кроме того, ширина пучности световой волны максимальной интенсивности в гетероструктуре вертикально-излучающего лазера составляет не более 100 нм, что ограничивает максимально количество слоев, образующих квантовые ямы.
В качестве альтернативы гетероструктурам вертикально-излучающего лазера с активными областями на основе периодической структуры, состоящей из слоев, образующих квантовые ямы и слоев, образующих туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры, в полезной модели для увеличения коэффициента перекрытия активной области со световым полем предложено использовать активную область вертикально-излучающего лазера, выполненной в виде короткопериодной сверхрешетки, представляющей собой набор из тонких чередующихся слоев, образующих квантовые ямы, и слоев, образующих туннельно-прозрачные потенциальные барьеры.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение оптического усиления и дифференциального оптического усиления гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, изготовленной на подложке InP.
Технический результат заключается в увеличении коэффициента перекрытия активной области гетероструктуры вертикально-излучающего лазера со световым полем резонатора.
Технический результат достигается за счет создания гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, состоящей из подложки GaAs, распределенных брэгговских отражателей, сформированных на основе гетеропары GaAs/AlGaAs, обкладок волновода InAlAs и активной области, состоящей из слоев InGaAs и слоев InGaAlAs, отличающейся тем, что активная область выполнена в виде короткопериодной сверхрешетки, представляющей собой набор из 20-35 чередующихся слоев InGaAs толщиной 0,5-2,0 нм и слоев InGaAlAs толщиной 0,7-2,0 нм.
В такой случае взаимодействие световой волны осуществляется на всей длине короткопериодной сверхрешетки, включая слои, образующие туннельно-прозрачные потенциальные барьеры, в отличие от гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, состоящая из подложки GaAs, распределенных брэгговских отражателей, сформированных на основе гетеропары GaAs/AlGaAs, обкладок волновода InAlAs и активной области, состоящей из слоев InGaAs, образующих квантовые ямы, и слоев InGaAlAs, образующих туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры, в которых усиление света отсутствует.
18
-3
17
-3
На фиг. 1 (а) показан профиль показателя преломления гетероструктуры вертикально-излучающего лазера на основе короткопериодной сверхрешетки (сплошная линия, правая ось Y) и профиль распределения интенсивности световой волны резонатора для длины волны излучения 1550 нм (пунктирная линия, левая ось Y). Слои активной области 1 формируются за счет применения короткопериодной сверхрешетки на основе слоев InGaAs и слоев InGaAlAs, образующих туннельно-прозрачные потенциальные барьеры. Число повторений слоев в сверхрешетке может варьироваться от 20 до 35. Толщина слоев InGaAs может составлять от 0,5 до 2,0 нм, толщина слоев InGaAlAs от 0,7 до 2,0 нм. Нижняя обкладка волновода 2 гетероструктуры формируется на основе легированного слоя InAlAs. Толщина слоев нижней обкладки 2 составляет 510-540 нм, уровень легирования примесью п-типа - (1,0-3,0)×10 см. Нижняя обкладка волновода 2 может включать контактные слои на основе InGaAs(P), расположенные в минимуме интенсивности световой волны. Верхняя обкладка волновода 3 формируется на основе легированного слоя InAlAs. Толщина слоев верхней обкладки волновода 3 составляет 510-560 нм, уровень легирования - (2,0-7,0)×10 см. Верхняя обкладка волновода 3 может включать контактные слои на основе InGaAs(P), расположенные в минимуме интенсивности стоячей световой волны, а также слои туннельного перехода. Ближайшие к активной области 1 пары распределенного брэгговского отражателя 4 формируются на основе чередующихся пар нелегированных слоев GaAs/AlGaAs. На фиг. 1 (б) показан профиль показателя преломления гетероструктуры вертикально-излучающего лазера на основе короткопериодной сверхрешетки вблизи активной области 1 (сплошная линия, правая ось Y) и профиль распределения интенсивности световой волны резонатора для длины волны излучения 1550 нм (пунктирная линия, левая ось Y).
Для осуществления полезной модели была изготовлена гетероструктура активной области вертикально-излучающего лазера, в которой активная область выполнена в виде короткопериодной сверхрешетки, представляющей собой набор из 29 чередующихся слоев InGaAs толщиной 0,8 нм и слоев InGaAlAs толщиной 2,0 нм, образующих туннельно-прозрачные потенциальные барьеры. Для верификации была изготовлена гетероструктура активной области вертикально-излучающего лазера, в которой активная область выполнена в виде периодической структуры, состоящей из 7 слоев InGaAs толщиной 2,8 нм, образующих квантовые ямы, и 8 слоев InGaAlAs толщиной 12 нм, образующих туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры. Для корректности сравнения оптического усиления двух активных областей, суммарная толщина слоев активной области на основе короткопериодной сверхрешетки была равна толщине активной области на основе периодической структуры. На основе гетероструктур были изготовлены инжекционные лазеры полосковой геометрии с шириной полоскового контакта 100 мкм.
Устройство работает следующим образом: вследствие протекания электрического тока через активную область гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, в квантовой яме происходит процесс излучательной рекомбинации. Излучение, отражаясь от зеркал резонатора Фабри-Перо, при прохождении через активную область, усиливается и образует стоячую световую волну. Зависимости плотности тока от усиления представлены на фиг. 2, обозначение «квадрат» соответствуют активной области на основе периодической структуры с туннельно-непрозрачными потенциальными барьерами, обозначение «круг» соответствует активной области на основе короткопериодной сверхрешетки, линии соответствуют аппроксимации экспериментальных точек. Активная область на основе короткопериодной сверхрешетки демонстрирует большее усиление при равных значениях плотности тока в сравнении с активной областью на основе периодической структуры, включающей слои, образующие туннельно-непрозрачные потенциальные барьеры.
Гетероструктура вертикально-излучающего лазера может быть изготовлена по технологии спекания гетероструктуры активной области вертикально-излучающего лазера, изготовленной на подложке InP, и 2 гетероструктур распределенных брэгговских отражателей, сформированных на подложках GaAs на основе гетеропары GaAs/AlGaAs.