Гетероструктура вертикально-излучающего лазера с гибридной схемой накачки

Полезная модель относится к электронике, а именно к оптоэлектронной технике.
При формировании гетероструктур вертикально-излучающих лазеров активная область формируется на основе одной или нескольких квантовых ям. Основным недостатком данной конструкции является тот факт, что с какого-то предельного уровня токовой накачки наблюдается насыщение усиления активной области. Как следствие, насыщение усиления активной области при увеличении тока, пропускаемого через лазер, приводит либо к существенному увеличению порогового тока генерации, либо вообще к невозможности достижения генерации. Снижение усиления возможно компенсировать за счет уменьшения потерь на вывод излучения из микрорезонатора посредством увеличения коэффициента отражения выводного брэгговского отражателя, но данный вариант ограничивает предельную выходную оптическую мощность лазера.
0.98
0.02
0.98
0.02
Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели является гетероструктура монолитного (выращенного за один эпитаксиальный процесс) вертикально-излучающего лазера с распределенными брэгговскими отражателями, включает нелегированную подложку из GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель (РБО) из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs с различным составом по алюминию, волноводные слои AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои AlGaAs, активную область на основе набора квантовых ям в слоях матрицы (волноводные слои AlGaAs), контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, слои верхнего распределенного брэгговского отражателя на основе чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs с различным составом по алюминию. Активная область вертикально-излучающих лазеров сформирована на основе набора квантовых ям (КЯ) GaAs в обкладках InGaAs с расположенным внутри активной области микрорезонатором с длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 1,75λ и работает в области спектрального диапазона 980 нм [P. Moser, H. Schmeckebier, M. Gębski, P. Śpiewak, R. Rosales, M. Wasiak, and J. A. Lott, “Intracavity and extracavity-contacted 980-nm oxide-confined VCSELs for optical interconnects and integration,” Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXI, Feb. 2017]. Недостатком данной конструкции гетероструктуры является то, что наблюдается насыщение усиления с ростом токовой накачки, что обусловлено высокими плотностями рабочих токов, при узком спектральном диапазоне работы лазера. Кроме того, при использовании активных областей на основе КЯ оптическая накачка осуществляется в слои матрицы для эффективного сбора носителей с последующей рекомбинацией в слоях КЯ. Таким образом, оптическая накачка КЯ малоэффективна, так как слои матрицы, по факту, не используются. Более того, в данной конструкции токовая и оптическая апертура сформированы за счет латерального прокисления слоя AlGaAs вне области, вытравленной мезы диаметром 2-10 мкм. В силу того, что слой AlGaAs расположен в минимуме оптического поля, оптическое ограничение создается лишь за счет наличия скачка показателя преломления вне области прокисления. Все выше сказанное приводит к относительно низкой выходной оптической мощности вертикально-излучающего лазера.
Соответственно, технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение усиления активной области лазера при сохранении или даже уменьшении коэффициента отражения выводного брэгговского отражателя. Кроме того, требуется разработка подходов по созданию конструкции гетероструктуры вертикально-излучающего лазера.
0.98
0.02
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера включает подложку из нелегированного GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под оптическую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под токовую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, верхний распределенный брэгговский отражатель из пар слоев AlGaAs/AlGaAs, при этом в гетероструктуре монолитного вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 850-1310 нм слои активных областей сформированы на основе сверхрешетки, микрорезонатор имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, вторая пара верхнего распределенного брэгговского отражателя, ближайшая к активной области, содержит слой AlGaAs толщиной 25-35 нм для латерального прокисления, причем данный слой расположен в максимуме оптического поля. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм материал слоев сверхрешетки GaAs/InGaAs. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм материал слоев сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN.
Технический результат заключается в том, что достигается существенное повышение предельной выходной оптической мощности лазера, в частности, в одночастотном режиме генерации.
На фиг. 1 показано пространственное распределение световой волны (а), а также профиль показателя преломления предложенной гетероструктуры (b). Поверхность гетероструктуры (выводное зеркало) расположена слева на фиг. 1.
Монолитная гетероструктура вертикально-излучающего лазера получена методом эпитаксии слоев активных областей и распределенных брэгговских отражателей, содержит подложку арсенида галлия, распределенные брэгговских отражатели, волноводные слои AlGaAs, контактные слои GaAs, слои активных областей. Нижний распределенный брэгговский отражатель выполнен из пар чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs c различным составом по алюминию. Активные области включают слои сверхрешеток вместо квантовых ям в слоях матрицы. Микрорезонатор включает одну активную область с токовой накачкой и, как минимум, одну активную область с оптической накачкой, расположенные в максимумах оптического поля. Токовая и оптическая апертура сформированы за счет латерального прокисления слоя AlGaAs с высоким содержанием алюминия, расположенного в максимуме оптического поля. Верхний распределенный брэгговский отражатель выполнен из пар чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs c различным составом по алюминию. Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках из арсенида галлия, работающих в спектральном диапазоне 850 - 1310 нм.
На фигуре 1 показано схематическое изображение гетероструктуры вертикально-излучающего лазера. Приведен профиль показателя преломления (сплошная линия, правая ось Y) и профиль распределения интенсивности световой волны (пунктирная линия, левая ось Y). Расчет профиля пространственного распределения световой волны выполнен для лазера, работающего в спектральном диапазоне 850 нм с активными областями на основе GaAs квантовых ям. Однако при замене слоев активной области возможно достичь более длинноволновой генерации (вплоть до 1310 нм).
0.98
0.02
Фигура 1 (а) представляет общий вид пространственного распределения световой волны (левая ось ординат), а также профиль показателя преломления (правая ось ординат). Фигура 1 (b) представляет укрупненное изображение пространственного распределения световой волны (левая ось ординат), а также профиль показателя преломления (правая ось ординат), соответствующее области микрорезонатора, а также области ближайших двух пар РБО. Область 1 соответствует положению дополнительного слоя AlGaAs, для формирования оптического ограничения, расположенного в максимуме пространственного распределения световой волны, область 2 - контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, расположенный в минимуме пространственного распределения световой волны, область 3 - слои активной области под токовую накачку, область 4 - контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, расположенный в минимуме пространственного распределения световой волны, области 5 - слои дополнительных активных областей, расположенных в максимумах пространственного распределения световой волны микрорезонатора.
0.98
0.02
0.98
0.02
02
Предложенная гетероструктура вертикально-излучающего лазера сформирована методом эпитаксии на подложке арсенида галлия. Слои нелегированного четвертьволнового нижнего распределенного брэгговского отражателя включают чередующиеся слои AlGaAs/AlGaAs, с разным составом по алюминию, расположенные на нелегированной подложке GaAs. Слои активных областей под оптическую накачку сформированы на основе сверхрешетки GaAs/InGaAs или на основе механически-напряженной сверхрешетки InGaAs/InAlAs в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм. Слои активных областей под оптическую накачку сформированы на основе сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм. Число активных областей под оптическую накачку - не менее одной. Максимальное число определяется длиной микрорезонатора. Микрорезонатор предложенной гетероструктуры вертикально-излучающего лазера имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, что подразумевает их использование под оптическую накачку. Активные области разделены волноводными слоями на основе AlGaAs, с составом по алюминию, отличному от барьерных слоев сверхрешетки.  Контактный слой GaAs легирован примесью n-типа (кремнием) и расположен вблизи активной области под токовую накачку. Данный слой соответствует минимуму оптического поля, что достигается за счет выбора толщин слоев микрорезонатора. Активная область под токовую накачку расположена между контактными и волноводными слоями в положении максимума оптического поля. Слои активных областей под токовую накачку идентичны слоям активных областей под оптическую накачку. Контактный слой GaAs легированный примесью p-типа (углеродом или бериллием) расположен в минимуме оптического поля выше активной области под токовую накачку. Слои нелегированного четвертьволнового верхнего распределенного брэгговского отражателя включают чередующиеся слои AlGaAs/AlGaAs, с разным составом по алюминию, формируют микрорезонатор. Прокисляющий слой AlGaAs толщиной 25-35 нм расположен во второй паре верхнего РБО в максимуме оптического поля, что позволяет осуществить оптическое ограничения за счет латерального прокисления после формирования меза-структуры. Возможно расположение дополнительных слоев AlGaAs As под прокисления как в слоях верхнего, так и в слоях нижнего РБО, расположенных в максимумах оптического поля. Более того, расположение слоя прокисления в максимуме оптического поля позволит осуществить дополнительную оптическую селекцию поперечных оптических мод высшего порядка для реализации одночастотного режима генерации. Активные области внутри микрорезонатора сформированы на основе сверхрешетки. Типично при использовании активных областей на основе КЯ оптическая накачка осуществляется в слои матрицы для эффективного сбора носителей с последующей рекомбинацией в слоях КЯ. Как итог, оптическая накачка КЯ малоэффективна, так как слои матрицы, по факту, не используются. В свою очередь, активная область на основе сверхрешетки работает как объемный материал, позволяя повысить эффективность оптической накачки активных областей в сравнении со случаем на основе набора КЯ.
Предложенная полезная модель гетероструктуры вертикально-излучающего лазера позволяет реализовать микрорезонатор, включающих несколько активных областей, в том числе одну - для токовой накачки, и, как минимум, одну под оптическую накачку, накачка которой осуществляется за счет излучения от активной области с токовой накачкой, что позволит повысить выходную оптическую мощность вертикально-излучающих лазеров при высоких плотностях тока, соответствующих насыщению усиления активной области на квантовых ямах, что достигается, с одной стороны, за счет перехода к использованию сверхрешетки вместо квантовых ям, для которой несвойственно насыщение усиления с ростом токовой накачки, а с другой стороны, за счет наличия дополнительных активных областей с оптической накачкой при достижении предельных плотностей токовой накачки для заданного диаметра мезы вертикально-излучающего лазера.
Устройство работает следующим образом: вследствие протекания электрического тока через активную область гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, в сверхрешетке происходит процесс излучательной рекомбинации. Излучение, отражаясь от зеркал резонатора Фабри-Перо, при прохождении через активную область, усиливается и образует стоячую световую волну.