Гетероструктура квантово-каскадного лазера

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур квантово-каскадных лазеров на подложках из InP, работающих в среднем инфракрасном диапазоне длин волн от 5 до 10 мкм.
Для создания обкладок волновода, базовой конструкции гетероструктуры квантово-каскадных лазеров на подложке InP с длиной волны генерации 5-10 мкм, характерно использование материалов InP и/или InAlAs, по причине меньшего показателя преломления этих материалов по сравнению с областью, являющейся полостью волновода, содержащей квантовые каскады, состоящие из чередующихся слоев InGaAs InAlAs. Одним из подходов увеличения квантовой эффективности является увеличение количества квантовых каскадов. Известно, что квантовая эффективность и выходная оптическая мощность растут линейно с числом каскадов. Масштабирование оптической мощности было продемонстрировано ранее [М. Razeghi and S. Slivken, High power quantum cascade lasers grown by Gas MBE, OPTO-ELECTRONICS REVIEW 11(2), 85-91 (2003)]. Недостатком таких устройств является следующее. При увеличении числа каскадов изменяется толщина полости оптического волновода и, как следствие, коэффициент перекрытия каждого индивидуального каскада с оптической волноводной модой (фактор оптического перекрытия). Несмотря на то, что суммарный фактор перекрытия оптической моды с областью квантовых каскадов при увеличении числа каскадов приближается к единице, для части каскадов, которые располагаются вблизи обкладок волновода, интенсивность световой волны оказывается существенно ниже чем для каскадов, расположенных в центральной части полости волновода, и их вклад в оптическое усиление незначителен. Увеличение числа каскадов также приводит к увеличению электрического напряжения, при котором возникает эффективное туннелирование электронов через гетероструктуру квантово-каскадного лазера, и к увеличению электрического сопротивления прибора. Оба последних фактора оказывают негативное воздействие на работу известных квантово-каскадных лазеров, поскольку приводят к их дополнительному разогреву. В результате плотность порогового тока с увеличением числа каскадов перестает уменьшаться, а начинает увеличиваться. Квантовая эффективность такого квантово-каскадного лазера на практике существенно ниже ожидаемого значения, поскольку не все каскады используются с одинаковой эффективностью.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура квантово-каскадного лазера, содержащая подложку InP, слои InP, формирующие обкладки волновода, квантовые каскады, состоящие из чередующихся слоев InGaAs и InAlAs с большим значением среднего показателя преломления, чем у слоев InP, дополнительные слои из InGaAs, расположенные внутри волновода со стороны обкладок из InP, обладающих наибольшим значением показателя преломления и формирующих вместе с квантовыми каскадами полость волновода [J. Faist et al., "High-power continuous-wave quantum cascade lasers," in IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 34, no. 2, pp. 336-343, Feb 1998.]. Недостатком этого устройства является более низкая квантовая эффективность из-за использования дополнительных слоев InGaAs малой толщины (400 нм), несоизмеримых с толщиной области квантовых каскадов. Это приводит к возникновению неплоского профиля оптической моды в области квантовых каскадов, что сказывается на распределении интенсивности световой волны в области квантовых каскадов, и соответственно приводит к снижению квантовой эффективности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение квантовой эффективности квантово-каскадного лазера до максимального значения. Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении насыщенного оптического усиления и упрощение изготовления гетероструктуры методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Технический результат достигается тем, что гетероструктура квантово-каскадного лазера, содержащая подложку из InP, формирующие обкладки волновода два слоя, один из которых InP, квантовые каскады, состоящие из чередующихся слоев InGaAs и InAlAs с большим значением среднего показателя преломления, чем у формирующих обкладки волновода слоев, расположенные внутри волновода со стороны этих обкладок дополнительные слои из InGaAs, с наибольшим значением показателя преломления, формирующие вместе с квантовыми каскадами полость волновода, отличается тем, что второй из формирующих обкладки волновода слой выполнен из InAlAs, величина отношения толщины дополнительных слоев InGaAs к толщине области, содержащей квантовые каскады, находится в диапазоне 0.6-0.7, а их толщина со стороны обкладки из InP больше на 9-10%, чем со стороны обкладки из InAlAs.
На фиг. показано схематическое изображение гетероструктуры оптического волновода квантово-каскадного лазера. Приведен профиль показателя преломления для гетероструктуры квантово-каскадного лазера и профиль распределения интенсивности световой волны
17
-3
17
-3
16
-3
0,52
0,48
0,53
0,47
Предлагаемая гетероструктура оптического волновода квантово-каскадного лазера состоит из подложки 1 из InP, двух формирующих обкладки волновода слоев. Один из этих слоев 2, примыкающий к подложке 1, состоит из InP. Этот слой легирован примесью n-типа до уровня 1,0×10 см. Второй формирующий обкладки волновода слой 3, выполнен из InAlAs толщиной 3,0 мкм и легирован кремнием до уровня 1,0×10 см. Полость волновода 4, состоит из 50 квантовых каскадов со средним показателем преломления 3,291 с суммарной толщиной 2,64 мкм и дополнительных слоев 5 и 6 из InGaAs, легированных кремнием до уровня 5,0×10 см.
Материалы InP и/или InAlAs, используются в качестве обкладок волновода, квантовые каскады, состоящие из чередующихся слоев InGaAs и InAlAs, с большим значением среднего показателя преломления, чем у InP и InAlAs, и два дополнительных слоя InGaAs формируют полость волновода. Дополнительные, соизмеримые по толщине с областью квантовых каскадов, слои InGaAs, обладающие наибольшим значением показателя преломления, добавляются в полость волновода с целью формирования идеально плоского профиля оптической моды в области квантовых каскадов.
0,53
0,47
0,52
0,48
Идеально плоский профиль оптической моды в области квантовых каскадов достигается при значениях толщин дополнительных слоев из InGaAs 1,83±0,04 мкм, со стороны InP, и 1,67±0,03 мкм - со стороны InAlAs. Расчет профиля пространственного распределения световой волны выполнен для длины волны 7,5 мкм (фиг.). Расчет и компьютерное моделирование показали, что изменение толщин этих слоев на величину более чем на 2% приводит к существенной и нежелательной модификации пространственного распределения световой волны и потере прямоугольной формы пространственного распределения световой волны в области квантовых каскадов, что приводит к падению значения насыщенного оптического усиления.
Наличие в предлагаемой гетероструктуре квантово-каскадного лазера полупроводниковых слоев с как меньшим (InP и InAlAs), так и большим (дополнительные слои из InGaAs), значениями показателя преломления, чем у области содержащей квантовые каскады, а также соотношение толщины дополнительных слоев из InGaAs к толщине области, содержащей квантовые каскады, в диапазоне 0,6-0,7 позволяет сформировать идеально плоский профиль оптической моды в области квантовых каскадов, иными словами, обеспечить идеально плоское распределение интенсивности световой волны в области квантовых каскадов. Это обуславливает значительное повышение насыщенного оптического усиления, что в свою очередь позволяет достичь максимально возможного значения квантовой эффективности. Кроме того, выполнение второго формирующего волновод слоя 3 из InAlAs упрощает изготовление таких гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии из-за высокой летучести фосфора и, как следствие, повышенных требований к вакуумной системе установки молекулярно-пучковой эпитаксии.