ЛАЗЕР С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 795 НМ

Полезная модель относится к полупроводниковым лазерам и может использоваться, например, в оптических системах передачи данных и в миниатюрных атомных стандартах частоты, которые в свою очередь будут использоваться в науке и технике, в частности, в области информационно-телекоммуникационных и навигационных систем.
3
2
3
Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором являются одним из ключевых элементов современных и перспективных оптических информационных систем, что обусловлено уникальными характеристиками данного типа излучателей. Такой лазер является наиболее миниатюрным (объем резонатора единицы мкм), экономичным (пороговые и рабочие токи единицы мА) и быстродействующим (частота токовой модуляции десятки ГГц) полупроводниковым лазерным излучателем, разработанным к настоящему моменту времени. К числу неоспоримых достоинств излучателя относится узкая и симметричная диаграмма направленности и возможность создания матриц излучателей с числом элементов 10-10 для систем параллельной передачи оптической информации.
В полупроводниковом лазере с вертикальным резонатором резонатор Фабри-Перо образован двумя брэгговскими зеркалами, которые формируются в едином технологическом процессе роста структуры. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (вертикальны) по отношению к плоскости полупроводниковой подложки, что и определяет название лазеров - лазер с вертикальным резонатором. Исходная структура лазера, получаемая методом молекулярно-лучевой эпитаксии, является сложной многослойной полупроводниковой структурой, образованной слоями с толщинами в диапазоне от 2 нм до ~100 нм. Общее число различных полупроводниковых слоев исходной структуры может достигать и превышать тысячу. Высокие требования предъявляются и к точности задания толщин слоев и их состава, точность должна выдерживаться на уровне 1%, а в ряде структур, где необходима прецизионная подстройка к заданной резонансной длине волны, требуется еще большая точность на уровне 0.1-0.2%.
К настоящему времени разработано большое многообразие лазеров с вертикальным резонатором, в которых используются различные типы активных областей, различные варианты брэгговских зеркал, различные схемы инжекции носителей заряда в активную область. Общая схема такого лазера включает два брэгговских зеркала образующих резонатор лазера. Эти брэгговские зеркала, как правило, состоят из полупроводниковых четвертьволновымх слоев с чередующимися показателями преломления (например, λ/4 слоями GaAs и λ/4 слоями AlGaAs). Зеркала могут состоять и из диэлектрических λ/4 слоев, они могут быть образованы и λ/4 чередующимися слоями полупроводник - диэлектрик (например, λ/4 слоями GaAs и λ/4 слоями AlGaO).
Между брэгговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную среду лазера. Активная область ЛВР содержит, как правило, одну или несколько полупроводниковых квантовых ям, или один или несколько слоев полупроводниковых квантовых точек.
1
Проведенный анализ показал, что лазеры с вертикальным резонатором, специально предназначенные для использования в атомных стандартах частоты, наиболее перспективно создавать на D линии атомов Rb с длиной волны 795 нм. Это связано с тем, что атомы Rb имеют небольшое расщепление основного состояния (6,8 ГГц в 87 Rb и требуют небольшой ширины полосы модуляции. Получение широкой полосы модуляции является сложной технологической задачей и требует проведения специальных исследований. Кроме того, длина волны 795 нм оптимальна с точки зрения более простой технологии выращивания лазеров с вертикальным резонатором.
Известен лазер с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, содержащий нижний и верхний отражатели, образующие резонатор, усиливающую активную среду, расположенную внутри названного резонатора, и источник энергии, являющийся средством активизации активной усиливающей среды в пределах ее первого объема, при этом резонатор определяет основную резонаторную моду генерируемого лазерного луча, а источник энергии является средством создания потока световой энергии в указанной активной усиливающей среде в направлении, поперечном указанной основной резонаторной моде, при этом второй объем указанной усиливающей среды является оптически накачиваемым вокруг указанного первого объема посредством указанного поперечного потока энергии, причем поток энергии в пределах указанных первого и второго объемов излучается в указанную основную резонаторную моду [Патент РФ №2190910 МПК H01S 5/183, H01S 3/16].
Этот лазер с вертикальным резонатором является ближайшим аналогом предлагаемого лазера и принят за прототип полезной модели.
Недостатком прототипа является его сложная конструкция, но главным образом то, что он не обеспечивает работу при длине волны 795 нм, которая является оптимальной для использования лазеров в атомных стандартах частоты.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания лазера с вертикальным резонатором с рабочей длиной волны 795 нм, пригодного для использования его в атомных стандартах частоты.
x
1-x
Для решения этой задачи предлагается лазер с вертикальным резонатором, включающий подложку, нижний и верхний отражатели, образующие резонатор, а также активную среду, расположенную внутри названного резонатора, отличающийся тем, что каждый отражатель и активная среда выполнены в форме множества слоев AlGaAs, при x, зависящем от положения слоя, причем названные слои составляют повторяющиеся периоды, нижний отражатель включает 33-37 периодов из 16-20 слоев при x, равном 0.23 - 0.94, и 1 период из 12-16 слоев при x, равном 0.24-0.94, активная среда включает 1 период из 7-11 слоев при x, равном 0.07-0.50, верхний отражатель включает 1 период из 12-16 слоев при x, равном 0.24-0.98, и 25-29 периодов из 16-20 слоев при x, равном 0.23-0.94, при этом слои нижнего отражателя имеют n-тип легирования, слои верхнего отражателя имеют p-тип легирования, а верхний отражатель содержит апертурный слой.
Отражатели лазера выполнены в форме зеркал Брэгга.
Слои нижнего отражателя преимущественно легированы Si, а слои верхнего отражателя преимущественно легированы Be или С.
Подложка может быть выполнена из GaAs.
Слои имеют толщину 2 нм-100 нм.
Предлагаемый лазер представлен на рисунке, где: 1 - излучение, 2 - апертура, 3 - активная среда, 4 - подложка, 5 - нижний отражатель (нижнее Брэгговское зеркало), 6 - контактный слой, 7 - верхний отражатель (верхнее Брэгговское зеркало).
Для реализации лазера с вертикальны резонатором с длиной волны, равной 795 нм, используются квантовые ямы на основе твердых растворов AlGaAs. С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности, слои активной среды не легируются. В случае, если в лазере в качестве отражателей используются полупроводниковые Брэгговские зеркала, инжекция носителей заряда в активную среду может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из отражателей используется p-тип легирования, а в другом - n-тип легирования, т.е. в целом лазер представляет собой р-i-n структуру. Если в лазере используются диэлектрические Брэгговские зеркала в качестве отражателей, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется «под зеркало» с использованием дополнительных контактных слоев (такой вариант инжекции называется внутрирезонаторной инжекцией).
Расстояние между отражателями составляет обычно несколько λ/2, где осуществляется инжекция носителей заряда через полупроводниковые зеркала, расстояние между зеркалами обычно составляет λ. В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией это расстояние увеличивается до 2λ, 2.5λ, 3λ… с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.
x
1-x
x
1-x
От состава AlGaAs квантовой ямы для лазера с длиной волны 795 нм и распределения толщин AlGaAs слоев по площади структуры зависит эффективность работы лазера.
x
1-x
Предпочтительный вариант выполнения предлагаемого лазера с вертикальным резонатором приведен в таблице, где общее число слоев равно 1156, состав слоев AlGaAs, имеется легирование слоев отражателей, подложка выполнена из GaAs, толщины которых варьируются в диапазоне от 2 нм до 68 нм. Суммарная толщина структуры 7985 нм Полная структура лазера выращена на n-GaAs подложке и состоит из нижнего отражателя n-типа легирования, нелегированной активной среды, содержащей три квантовые ямы, апертурного слоя и верхнего (выходного) отражателя p-типа легирования. Нижний отражатель содержит 35 периодов а верхний отражатель образован 27 периодами. В нижнем отражателе используется однородное легирование Si, в верхнем отражателе используется селективное легирование Be или С. Для снижения омического сопротивления в структуре лазера используются квазибипараболические интерфейсные вставки, задаваемые слоями толщиной 2 нм переменного состава от Х=0.24 до Х=0.93. В активной области структуры содержаться три квантовые ямы шириной 8 нм и состава Х=0.07. Выбор ширины и состава квантовых ям, используемых в лазере, сделан на основе анализа оптических характеристик тестовых структур. Структура содержит также апертурный слой толщиной 49 нм с составом Х=0.98.
Слои отражателей, расположенные в определенном порядке и составляющие только один период, являются контактными и выполнены для сглаживания рабочих режимов.
Инжекция электронов в активную среду осуществляется через нижний отражатель, состоящий из n-легированных слоев AlGaAs/AlGaAs. Инжекция дырок в активную среду осуществляется через верхний отражатель, состоящий из p-легированных слоев AlGaAs/AlGaAs. Туннельно прозрачный слой p-AlAs, используется для эффективного токового и оптического ограничения в активной области. Излучательная рекомбинация электронов и дырок происходит в активной среде, состоящей из AlGaAs квантовых ям.
Описанный лазер благодаря своей структуре обеспечивает рабочую длину волны 795 нм, поэтому пригоден для использования его в атомных стандартах частоты.
Таблица
№
Состав: Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As
Толщина слоя, нм
Легирование, см<sup>-3</sup>
комментарии
Общее число слоев 1156 (без учета буферного слоя)
Поверхность структуры
Суммарная толщина структуры 7985 нм (без учета толщины буферного слоя)
Х=0.00
5
С(Be): 2Е19
Х=0.23
15
С(Be): 2Е19
Х=0.23
21
С(Ве):2Е18
Конец периода
27 периодов
Х=0.24
2
С(Be): 5Е18
Х=0.29
2
С(Be): 5Е18
Х=0.38
2
С(Be): 5Е18
Х=0.52
2
С(Be): 5Е18
Х=0.67
2
С(Be): 5Е18
Х=0.80
2
С(Be): 5Е18
Х=0.88
2
С(Be): 5Е18
Х=0.93
2
С(Be): 5Е18
Х=0.94
49
С(Be): 2Е18
Х=0.93
2
С(Be): 5Е18
Х=0.88
2
С(Be): 5Е18
Х=0.80
2
С(Be): 5Е18
Х=0.67
2
С(Be): 5Е18
Х=0.52
2
С(Be): 5Е18
Х=0.38
2
С(Be): 5Е18
Х=0.29
2
С(Be): 5Е18
Х=0.24
2
С(Be): 5Е18
Х=0.23
41
С(Be): 2Е18
Начало периода
27 периодов
Х=0.24
2
С(Be): 5Е18
Х=0.29
2
С(Be): 5Е18
Х=0.38
2
С(Be): 5Е18
Х=0.52
2
С(Be): 5Е18
Х=0.67
2
С(Be): 5Е18
Х=0.80
2
С(Be): 5Е18
Х=0.88
2
С(Be): 5Е18
Х=0.93
2
С(Be): 5Е18
Х=0.98
49
С(Be): 2Е18
Апертурный слой
Х=0.93
2
С(Be): 5Е18
Х=0.88
2
С(Be): 5Е18
Х=0.80
2
С(Be): 5Е18
Х=0.67
2
С(Be): 5Е18
Х=0.52
2
С(Be): 5Е18
Начало верхнего отражателя
Конец активной среды
Х=0.50
68
нет
Х=0.35
25
нет
Х=0.07
8
нет
Квантовая яма
Х=0.35
10
нет
Х=0.07
8
нет
Квантовая яма
Х=0.35
10
нет
Х=0.07
8
нет
Квантовая яма
Х=0.35
25
нет
Х=0.50
68
нет
Начало активной среды
Конец нижнего отражателя
Х=0.52
2
Si: 2Е18
Х=0.67
2
Si: 2Е18
Х=0.80
2
Si: 2Е18
Х=0.88
2
Si: 2E18
Х=0.93
2
Si: 2E18
Х=0.94
49
Si: 2E18
Х=0.93
2
Si: 2E18
Х=0.88
2
Si: 2E18
Х=0.80
2
Si: 2E18
Х=0.67
2
Si: 2E18
Х=0.52
2
Si: 2E18
Х=0.38
2
Si: 2E18
Х=0.29
2
Si: 2E18
Х=0.24
2
Si: 2E18
Конец периода
35 периодов
Х=0.23
41
Si: 2E18
Х=0.24
2
Si: 2E18
Х=0.29
2
Si: 2E18
Х=0.38
2
Si: 2E18
Х=0.52
2
Si: 2E18
Х=0.67
2
Si: 2E18
Х=0.80
2
Si: 2E18
Х=0.88
2
Si: 2E18
Х=0.93
2
Si: 2E18
Х=0.94
49
Si: 2E18
Х=0.93
2
Si: 2E18
Х=0.88
2
Si: 2E18
Х=0.80
2
Si: 2E18
Х=0.67
2
Si: 2E18
Х=0.52
2
Si: 2E18
Х=0.38
2
Si: 2E18
Х=0.29
2
Si: 2E18
Х=0.24
2
Si: 2E18
Начало периода
35 периодов
Начало нижнего отражателя
Х=0 (буфер)
500
Si: 2Е18
GaAs (001) (подложка)
n-тип