ГЕТЕРОСТРУКТУРА ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках из фосфида индия, работающих в спектральном диапазоне 1530 - 1565 нм.
Для формирования гетероструктур вертикально-излучающего лазера
2
2
используются два основных подхода. Первый подход основан на использовании технологии двойного спекания гетероструктуры активной области, выращенной на подложке фосфида индия, с гетероструктурами распределенных Брэгговских отражателей, выращенных на подложках GaAs [Sirbu, Alexei, Vladimir Iakovlev, Alok Rudra, and Elyahou Kapon. "Vertical cavity surface emitting laser and a method of fabrication thereof." U.S. Patent 6,542,531, issued April 1, 2003.]. Основное преимущество метода состоит в использовании распределенных Брэгговских отражателей, выращенных на подложках GaAs, демонстрирующих высокий коэффициент отражения. Второй подход состоит в формировании гетероструктуры активной области вертикально-излучающих лазеров, выращенной на подложке InP в комбинации с диэлектрическими распределенными Брэгговскими отражателями [Ortsiefer, М., Shau, R.,  G.,F., and Amann, M.-C. (2000), Low-threshold index-guided 1.5 μm long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency. Applied Physics Letters, 76, 2179-2181. doi: 10.1063/1.126290]. Высокий контраст показателя преломления диэлектрических зеркал на основе пар СаF/аморфный кремний или CaF/ZnS позволяет сократить число пар, что наряду с напылением толстого слоя гальванического золота частично позволяет решить проблему отвода тепла через гибридное глухое зеркало на основе диэлектрического распределенного Брэгговского отражателя/золота. Оба описанных подхода имеют недостатки, обусловленные, в первую очередь, многостадийной технологией изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров. В частности первый подход требует использования сложной технологии двойного спекания гетероструктур активной области и распределенных Брэгговских отражателей наряду с отработкой двухстадийной эпитаксии для формирования захороненного туннельного перехода. Для устранения описанных недостатков требуется разработка подхода по изготовлению гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках InP за один эпитаксиальный процесс (по изготовлению монолитной гетероструктуры), демонстрирующих высокую выходную оптическую мощность излучения и быстродействие.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура вертикально-излучающего лазера, содержащая подложку из InP, нижний распределенный Брэгговский отражатель из пар слоев InGa(Al) As/InAlAs, нижнюю обкладку волновода на основе слоя InGa(Al)As, с контактными слоями на основе InGaAs(P), активную область из трех полупроводниковых каскадов, каждый из которых представляет собой квантовые ямы InAlGaAs и барьеры InGaAlAs, верхнюю обкладку волновода на основе слоя InGa(Al)As, с контактными слоями на основе InGaAs(P), и верхний распределенный Брэгговский отражатель из пар слоев InGa(Al)As/InAlAs [J. К. Kim, et. al. "Near-room-temperature continuous-wave operation of multiple-active-region 1.55 μm vertical-cavity lasers with high differential efficiency," Applied Physics Letters, vol. 77, no. 10, pp. 3137-3139. doi:10.1063/1.1325400]. Основным недостатком такой конструкции гетероструктуры вертикально-излучающего лазера является большая длина микрорезонатора из-за использования многокаскадной структуры активной области, что приводит к росту времени жизни фотона и уменьшению быстродействия вертикально-излучающего лазера. Кроме того, многокаскадная геометрия также приводит к уменьшению однородности электрической накачки и повышению рабочего напряжения вертикально-излучающего лазера.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия вертикально-излучающего лазера, выращенного на подложке InP.
Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является повышение оптического усиления монолитной полупроводниковой гетероструктуры вертикально-излучающего лазера. Результат достигается путем формирования гибридной накачки, за счет создания гетероструктуры, включающей дополнительные полупроводниковые слои, представляющие собой квантовые ямы InGaAs, обладающие спектром усиления идентичным спектру усиления квантовых ям в активной области вертикально-излучающего лазера, и выполняющие функцию обеспечения дополнительного оптического усиления. Дополнительные полупроводниковые слои размещаются в максимумах интенсивности электрического поля, в двух ближайших к активной области парах верхнего и нижнего распределенных Брэгговских отражателей, сформированных на основе InGaAlAs/InAlAs. При этом общая длина микрорезонатора вертикально-излучающего лазера не увеличивается, что не приводит к росту времени жизни фотона и увеличивает быстродействие вертикально-излучающего лазера
На фиг. показано схематическое изображение активной области гетероструктуры вертикально-излучающего лазера и двух ближайших к активной области пар распределенных Брэгговских отражателей. 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 длины волны 1550 нм.
В предложенной гетероструктуре области 1 являются дополнительными полупроводниковыми слоями, которые представляют собой квантовые ямы, расположенные в двух ближайших к активной области парах распределенных Брэгговских отражателей, и за счет которых осуществляется гибридная накачка. Область 2 является активной областью, области 3 - две ближайшие к активной области пары распределенных Брэгговских отражателей, области 4 - волноводные слои, расположенные между распределенными Брэгговскими отражателями и активной областью.
Предложенная гетероструктура вертикально-излучающего лазера сформирована на подложке InP. Слои нижнего распределенного Брэгговского отражателя сформированы на основе чередующихся пар слоев InGaAlAs/InAlAs, согласованных по постоянной кристаллической решетки с материалом подложки. Две ближайшие к активной области пары нижнего распределенного Брэгговского отражателя отличаются от предыдущих пар нижнего распределенного Брэгговского отражателя за счет вставки в слои InGaAlAs пяти дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs (области 1), которые идентичны по спектру усиления квантовым ямам в активной области. Нижняя обкладка волновода сформирована на основе слоя InGaAlAs. Толщина слоя нижней обкладки составляет 500-550 нм. Обкладка включает контактные слои на основе InGaAsP, расположенные в минимуме интенсивности оптической волны. Активная область формируется за счет применения полупроводникового каскада из десяти полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs и барьеры InGaAlAs (область 2). Верхняя обкладка волновода сформирована на основе слоя InGaAlAs. Толщина слоя верхней обкладки составляет 500-550 нм. Обкладка включает контактные слои на основе InGaAsP, расположенные в минимуме интенсивности оптической волны. Верхний распределенный Брэгговский отражатель сформирован на основе чередующихся пар слоев InGaAlAs/InAlAs, согласованных по постоянной кристаллической решетки с материалом подложки. Две пары верхнего распределенного Брэгговского отражателя, ближайшие к активной области, отличаются от последующих пар верхнего распределенного Брэгговского отражателя за счет вставки в слои InGaAlAs пяти дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs (области 1), которые идентичны по спектру усиления квантовым ямам в активной области.
Предложенная полезная модель гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, обладает гибридной накачкой (электрической накачкой активной области и оптической накачкой активной области, связанной с оптической накачкой дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы InGaAs, которые расположены в двух ближайших к активной области парах распределенного Брэгговского отражателя), что позволяет повысить оптическое усиление в гетероструктуре. Длина микрорезонатора вертикально-излучающего лазера, за счет вставки дополнительных полупроводниковых слоев, представляющих собой квантовые ямы, в слои распределенного Брэгговского отражателя, не изменится. Предложенный подход позволяет уменьшить время жизни фотона в резонаторе и увеличить быстродействие вертикально-излучающего лазера. Также рост оптического усиления приводит к падению порогового тока вертикально-излучающего лазера, что позволяет достичь высокой квантовой эффективности.