РЕЗОНАТОР НА МОДАХ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
RESONATOR ON MODES OF WHISPERING GALLERY WITH VERTICAL RADIATION OUTPUT

Изобретение относится к резонаторам полупроводниковых лазеров с лучеиспускающей поверхностью на основе гетероструктур.
Создание вертикально излучающих лазеров с хорошим качеством выходящего пучка, создаваемых на одной полупроводниковой пластине (подложке) в одном технологическом процессе, - одна из актуальнейших задач полупроводниковой оптоэлектроники. В настоящее время для этих целей используются вертикально излучающие лазеры на основе брегговских зеркал (так называемые VCSEL лазеры - vertical cavity surface emitting laser) [1]. В таких лазерах вместо волноводных слоев с обеих сторон активной области (как в стандартных гетеролазерах) выращиваются брегговские зеркала, которые удерживают вертикально распространяющуюся моду в пределах активной области [1]. Эта мода частично выходит через верхний контакт, создавая лазерное излучение с достаточно широким (гауссовым) пучком. К сожалению, во-первых, изготовление брегговских зеркал достаточно тонкая (дорогая) процедура. Во-вторых, ток в таких лазерах течет через эти зеркала, что ухудшает инжекцию носителей и снижает эффективность. Это особенно существенно для длинноволновых межзонных и внутризонных каскадных лазеров (и тем более для терагерцевых каскадных лазеров), для которых подход на основе подобных брегговских зеркал вообще не применяется. В-третьих, при увеличении площади лазера в плоскости полупроводниковой пластины возникают высшие моды, ухудшающие качество выходящего пучка.
Для создания на одной полупроводниковой пластине множественной системы лазеров возможен подход, основанный на применении круговых резонаторов на модах шепчущей галереи. Такой круговой резонатор имеет вид цилиндра, основанием которого является круг. Изготовление данных резонаторов весьма просто и дешево по сравнению с VCSEL лазерами. Однако в круговых резонаторах на модах шепчущей галереи лазерное поле сосредоточено внутри резонатора и не выходит наружу. Известны конструкции полупроводникового лазера с резонатором на модах шепчущей галереи некруговой формы (в виде цилиндра, основание которого некруговое). Использование такого резонатора дает возможность управлять видом диаграммы направленности в плоскости лазерной структуры. При этом выход излучения оказывается горизонтальным - в плоскости гетероструктуры (см. патент US 6333944, H01S 3/081, 3/083, публ. 25.12.2001). Горизонтальный вывод излучения лазера не дает возможность объединить в один выходной пучок излучение от совокупности таких лазеров, изготовленных на одной подложке.
В квантовом каскадном лазере, описанном в патенте US 6836499, H01S 5/00, 5/10, 5/34, публ. 28.12.2004, вывод излучения также происходит в горизонтальной плоскости, при этом данная конструкция позволяет осуществлять управление диаграммой направленности излучения с помощью специального рупора, расположенного в горизонтальной плоскости. Данный аналог обладает тем же недостатком, что и предыдущий.
Наиболее близким аналогом к настоящему изобретению является конструкция резонатора на модах шепчущей галереи, обеспечивающая вертикальный вывод излучения лазера (US 5343490, H01S 5/00, 5/10, 5/18, публ. 30.09.1994, "Whispering Mode Micro-Resonator" («Микрорезонатор на шепчущих модах»)). В данном патенте описано устройство, представляющее собой круговой резонатор, в котором благодаря отражению от внешней поверхности полупроводникового цилиндра возникают электромагнитные моды типа шепчущей галереи. Данное устройство может работать в режимах как ниже порогового (то есть как светодиод), так и выше порогового (как лазер). При этом выход электромагнитного излучения осуществляется преимущественно в плоскости изготовленного из полупроводниковой структуры кругового резонатора. Для осуществления вертикального вывода излучения перпендикулярно плоскости структуры или под некоторым углом на верхнюю поверхность резонатора наносятся риски или углубления (с помощью химического травления или механическим путем), расположенные периодически так, чтобы расстояние между ними было приблизительно равно длине волны генерации в данном образце. Таким образом, данное устройство вывода излучения является селективным (узкополосным) по длине волны, так как обеспечивает эффективное излучение только тех волн, длина волны которых в образце совпадает с расстоянием между нанесенными рисками. В данном патенте сообщается, что в данном резонаторе может быть осуществлен вертикальный узкополосный вывод излучения также с помощью решеток, нанесенных на нижнюю или верхнюю поверхности.
Недостатком резонатора-прототипа является то, что он обеспечивает вывод узкополосного сигнала - электромагнитных волн - с заранее определенной длиной волны. Имеется много статей и патентов, описывающих такие селективные устройства вывода излучения из резонаторов на модах шепчущей галереи.
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка резонатора лазера на модах шепчущей галереи, обеспечивающего вывод широкополосного по длине волны излучения в вертикальном направлении.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что разработанный резонатор, так же как и резонатор-прототип полупроводникового гетеролазера на модах шепчущей галереи с вертикальным выводом, имеет в любом горизонтальном сечении форму круга, т.е. выполнен с круговым сечением.
Новым в разработанном резонаторе является то, что резонатор изготовлен в виде тела вращения, которое включает в себя активную область, обкладочные слои и часть подложки, при этом образующая боковой поверхности тела вращения имеет наклон по отношению к нормали гетероструктуры.
Основное отличие от прототипа предлагаемого авторами устройства - резонатора на модах шепчущей галереи со специальной формой образующей резонатора - состоит в том, что в предлагаемом устройстве нет никаких рисок или структур, наносимых на границы резонатора, и поэтому нет выделенных масштабов длин волн. Вследствие этого предлагаемая авторами конструкция резонатора с вертикальным выводом излучения является широкополосной по длине волны излучения: любая мода шепчущей галереи на любой частоте излучения будет эффективно излучаться вверх (или вниз, в подложку, в зависимости от наклона боковой образующей резонатора). Дополнительным преимуществом в данном случае является отсутствие необходимости изготовления периодической модулирующей структуры, что может быть весьма непростым (дорогим) делом для коротковолновых лазеров.
Изобретение представлено следующими чертежами:
на фиг.1 приведена схема лазера с резонатором на модах шепчущей галереи с вертикальным выходом излучения в подложку за счет наклонной формы стенки резонатора в виде тела вращения;
на фиг.2 приведены фотографии изготовленного полупроводникового лазера на основе гетероструктуры с выводом излучения в вертикальной плоскости, осуществляемым за счет наклонной боковой поверхности лазера (слева - фотография разреза упомянутого лазера, справа - его внешний вид сверху).
На фиг.1 схематично показан пример формы образующей предлагаемого резонатора из полупроводниковой гетероструктуры. Резонатор, изготовленный в виде тела вращения, образован боковыми поверхностями активной зоны 1, обкладочных слоев 2 и части подложки 3 гетероструктуры. Наклон образующей 4 тела вращения относительно нормали 5 гетероструктуры обеспечивает выход излучения из данного резонатора в подложку 3 структуры. В общем случае сечение такого резонатора вертикальной плоскостью имеет форму сечения тела вращения, в частности, например, параболоида, конуса или сферы, а также может иметь и более сложную форму. Наличие на боковой поверхности лазера участков, наклонных по отношению к нормали 5 гетероструктуры, будет приводить к тому, что волна лазерного излучения при отражении от боковой поверхности постепенно будет вытекать в вертикальном направлении (см. фиг.1). Использование различных форм поперечных сечений резонатора приводит к различному пространственному распределению интенсивности в выходящем пучке лазерного излучения. Поскольку в предлагаемой конструкции отсутствуют какие-либо селективные элементы, она является широкополосной по длине волны излучения и, таким образом, позволяет решить поставленную задачу.
Резонатор предлагаемой формы с наклонной боковой поверхностью может быть изготовлен, например, с помощью химического травления полупроводниковых гетероструктур.
На фиг.2 показаны микрофотографии изготовленных авторами полупроводниковых инжекционных гетеролазеров на основе InAsSb/InAsSbP гетероструктур с выводом излучения в вертикальном направлении за счет наклонной боковой поверхности резонатора в виде тела вращения: слева - скол лазера (вид с боку); справа - вид лазерного диода (вид сверху). Авторами изготовлены также аналогичные резонаторы на модах шепчущей галереи с неселективным вертикальным выводом излучения за счет наклонной образующей для гетеролазеров с оптической накачкой на основе гетероструктур CdHgTe. Это самые простые примеры неселективного вертикального вывода излучения из резонаторов полупроводниковых гетеролазеров на основе мод шепчущей галереи. Образующая резонатора может иметь модуляцию по наклону, она (образующая) может быть многоэлементной -ступенчатой, например, для получения более узкой диаграммы направленности выходящего лазерного пучка и т.п.
Таким образом, авторами были продемонстрированы лазеры на модах шепчущей галереи с системой вертикального вывода излучения (фиг.2). Полученный эффект вертикального выхода лазерного излучения заключается в том, что в вертикальном направлении (перпендикулярно плоскости гетероструктуры) интенсивность выходящего излучения оказалась в несколько раз больше, чем в других направлениях.
Разработанный резонатор может быть использован для создания на одной полупроводниковой пластине за один технологический цикл множественной системы лазеров с хорошим качеством выходящего в вертикальном направлении пучка.
1. Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser - Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201-1215; Soda et al., Haruhisa (1979), "GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers", Japanese Journal of Applied Physics 18 (12): 2329-2330; Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71(11): 1089-1090.