ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
INJECTION LASER

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее, к мощным полупроводниковым лазерам.
Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, их используют в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, для генерации мощных лазерных импульсов в системах связи и передачи импульсной энергии в свободном пространстве и по оптическому волокну. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер обеспечивал генерацию высокой мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсном режимах генерации. Однако, существуют негативные эффекты, которые ведут к насыщению ватт-амперной характеристики и падению максимальной выходной мощности излучения. Одни из таких эффектов связан с включением генерации замкнутых модовых структур. В результате часть или вся полезная мощность лазерного излучения не выводится из лазерного кристалла через зеркала Фабри-Перо резонатора, а остается внутри кристалла и расходуется на его разогрев.
Известен торцевой полупроводниковый лазерный чип (см. заявка WO 2010057455, МПК H01S 5/022, H01S 5/042, H01S 5/065, 27.05.2010), включающий полупроводниковое тело, которое содержит, по меньшей мере, одну активную область. На поверхности верхней стороны полупроводникового тела расположен, по меньшей мере, один контактный полосок. По обеим сторонам контактного полоска расположены, по меньшей мере, две ограничивающие структуры, предназначенные для ограничения распространения тока между контактным полоском и активной зоной.
Недостатки известного торцевого полупроводникового лазерного чипа связаны с насыщением ватт-амперной характеристики и невозможностью достижения максимальной выходной мощности излучения в связи с включением замкнутых модовых структур, а также с увеличением расходимости излучения в плоскости, параллельной р-n переходу, при использовании конструкций с ограничивающими структурами, попадающими в волноводный слой.
Известен инжекционный лазер (см. патент US 8634443, МПК H01S 5/00 от 21.01.2017), который включает структуры, каждая из которых обладает функцией рассеивания, поглощения или отражения света, неотносящегося к основным модам Фабри-Перо резонатора. Использование таких структур приводит к улучшению (сужению) расходимости излучения, в плоскости, параллельной слоям структуры. Структуры расположены в области вдоль оптической оси Фабри-Перо резонатора в пассивной части инжекционного лазера. Структуры представляют из себя отдельные области в виде отдельно вытравленных ямок (полостей) не связанных между собой, и, расположенных вдоль полоскового контакта в пассивной части кристалла инжекционного лазера, при этом в горизонтальном сечении ямки могут иметь различные формы (вытянутые прямоугольники, ромбы и т.д.). Недостатком данной конструкции является увеличенное число поверхностей, которые необходимо закрыть слоем диэлектрика. Кроме этого структуры сформированы в эмиттерных слоях, и не захватывают волноводные или активные слои, что существенно ухудшает эффективность при использовании таких структур в лазерных гетероструктурах для мощных полупроводниковых лазеров с расширенным волноводом и низкими оптическими потерями.
Известен инжекционный лазер (см. RU 2444101, МПК H01S 5/00, опубликован 27.02.2012), который включает первый волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами р- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. По меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнена по меньшей мере одна легированная область, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяет определенному соотношению.
Известный инжекционный лазер имеет повышенную выходную оптическую мощность как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, а также повышенную временную стабильность выходной оптической мощности. К недостаткам известного инжекционного лазера относится сложная технология изготовления его гетероструктуры, а также ухудшения электрических и оптических характеристик структуры в связи с отсутствием полной защиты от легирования в процессе ионной имплантации или диффузии. Требуются дополнительные достаточно сложные технологические операции, связанные с селективным легированием волноводных слоев вне области инжекции: ионная имплантация или высокотемпературная диффузия. Данные операции требуют использования дорогостоящего оборудования, а также дополнительных этапов постростовой обработки, связанных с формированием селективной маски, проведением процесса легирования и последующего отжига, удалением селективной маски.
Известно опто-электронное устройство (см. заявка РСТ WO 2007000614, МПК H01S 5/042, H01S 5/16, опубликована 04.01.2007), которое относится к усовершенствованной конструкции одиночных лазерных диодов с широким полоском и высокой выходной мощностью света, обеспечивающее значительное уменьшение или исключение деградации таких лазерных диодов при очень высоких выходных мощностях путем регулирования потока тока в лазерном диоде определенным образом. Минимизация или предотвращение деградации зеркал резонатора таких лазерных диодов значительно увеличивает долговременную стабильность по сравнению с конструкциями предшествующего уровня техники. Это достигается путем управления инжекцией носителей в лазерный диод вблизи его граней так, что удается избежать резких пиков тока инжекции. Для этого на его кромке или границе формируется изолирующий слой, блокирующий ток, в виде неровной частично прерывистой структуры, что приводит к уменьшению эффективной изоляции к краю упомянутого изолирующего слоя, обеспечивая тем самым по существу, некрутой или даже почти непрерывный переход между изолированными и неизолированными областями.
К недостаткам предлагаемого инжекционного лазера относится отсутствие технических решений для подавления генерации замкнутой моды, т.к. предложенная структура сформирована в контактной области и не взаимодействует с излучением лазерных мод. В результате выходная оптическая мощность предлагаемого полупроводникового лазера не достигает максимально возможного значения.
Известен инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению
0
m
QW
QW
Г/Г>1,7;
0
m
QW
QW
где Г и Г - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3 …), соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до р- и n- эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно. Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения.
Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие в инжекционном лазере дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.
Известен инжекционный лазер с широкой мезаполосковой структурой (JPH 03293790, МПК H01S-005/00 H01S-005/10 H01S-005/12 H01S-005/22, 25.12.1991), в которой происходит инжекция носителей заряда и генерация лазерного излучения. В боковой поверхности мезаполосковой структуры сформирован периодический рельеф, обеспечивающий подавление не Фабри-Перо мод за счет рассеивания лучей, распространяющихся под углами к оси Фабри-Перо резонатора.
Недостатком предлагаемой конструкции является то, что структура сформирована непосредственно на боковой поверхности мезаполосковой структуры, которая в свою очередь выполняет также функцию продольного волновода. При недостаточной глубине мезаполосковой структуры низкая эффективность взаимодействия сформированной периодической структуры с модами поперечного волновода лазерной гетероструктуры. В результате эффект подавления замкнутых мод не наблюдается. При глубине мезаполосковой структуры, когда эффективность взаимодействия сформированной периодической структуры с модами поперечного волновода лазерной гетероструктуры достаточна для подавления замкнутых мод, также существенно усиливается продольный волновод. В результате выполняются условия для формирования высокодобротных мод продольного волновода, распространяющихся в Фабри-Перо резонаторе и расходимость поля в плоскости параллельной слоям структуры существенно расширяется, что заметно снижает эффективность ввода лазерного излучения в оптическое волокно.
Известен инжекционный лазер (см. патент RU 2443044, МПК H01S 5/042, H01S 5/065, H01S 5/32, опубликован 20.02.2012), который включает широкозонные эмиттеры р- и n-типа проводимости являющиеся одновременно ограничительными слоями, первый и второй волноводы, заключенные между широкозонными эмиттерами р- и n-типа проводимости, при этом первый волновод примыкает к широкозонному эмиттеру р-типа проводимости, а второй волновод примыкает к широкозонному эмиттеру n-типа проводимости, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя и заключенного между первым и вторым волноводным слоем, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. В волноводном слое вне области инжекции выполнена, по меньшей мере, одна область полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды области полупроводникового материала удовлетворяет определенному соотношению.
Инжекционный лазер имеет повышенную выходную оптическую мощность как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, а также повышенную временную стабильность выходной оптической мощности. К недостаткам предлагаемого инжекционного лазера относится сложная технология изготовления предлагаемой гетероструктуры. Требуются дополнительные достаточно сложные технологические операции, связанные с многостадийным ростом лазерной гетероструктуры, включающим операции селективного травления волноводных слоев вне области инжекции и последующего заращивания. Данные операции усложняют и удлиняют процесс изготовления полупроводниковых лазеров. Кроме этого высокие оптические мощности способны просветлить узкозонные слои, в результате снижается эффективность данного решения при генерации мощных лазерных импульсов.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер-прототип (см. патент RU 2230410, МПК H01S 5/042, опубликован 10.06.2004), включающий лазерную гетероструктуру, содержащую активную область, заключенную между первым и вторым волноводными слоями, к которым с внешней стороны примыкают соответственно широкозонный эмиттер р-типа проводимости и широкозонный эмиттер n-типа проводимости, являющиеся ограничительными слоями, полосковый омический контакт, примыкающий к внешней стороне широкозонного эмиттера р-типа проводимости, область инжекции, расположенную под полосковым омическим контактом, заключенную между пассивными областями. По меньшей мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к области инжекции, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.
Известный инжекционный лазер имеет увеличенную выходную мощность излучения, суженную и улучшенную пространственную диаграмму выходного излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, до одномодовой, улучшенный спектр излучения до одночастотного, а также стабильные параметры ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и замкнутых мод (кольцевых мод), оптимизации величины бокового оптического ограничения.
При этом предлагаемая конструкция известного инжекционного лазера обладает рядом недостатков. Рельефные структуры расположены только в ограничительном слое. В результате имеет место слабое взаимодействие рельефной структуры с модой поперечного волновода в современных мощных полупроводнковых лазерах с расширенным волноводом и сверхнизкими оптическими потерями, для которых доля поля моды в ограничительных слоях, существенно меньше 1%. Рельефные структуры расположены ниже уровня полоскового омического контакта, что усложняет технологию изготовления таких структур. Кроме этого, использование рельефных структур с размером одиночного элемента 0,25-1,50 мкм (при периоде 0,5-3,0 мкм) предъявляет повышенные требования к технологическим процессам формирования фоторезистивных масок и их экспонирования, что усложняет технологию изготовления. Расположение рельефной структуры в пассивной области в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, приводит к тому что значительная часть пассивной области находится ниже уровня полоскового омического контакта. Это заметно снижает эффективность отвода тепла от инжекционного лазера, что может ухудшать его мощностные характеристики при высоких токах накачки.
Задачей заявляемого технического решения является разработка такой конструкции инжекционного лазера, которая бы обеспечивала упрощение технологии изготовления при сохранении увеличенной выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, улучшенной диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер, включающий выращенную на подложке лазерную гетероструктуру, содержащую активную область, заключенную между первым и вторым волноводными слоями. К волноводным слоям с внешней стороны примыкают соответственно слой широкозонного эмиттера р-типа проводимости и слой широкозонного эмиттера n-типа проводимости, которые являются ограничительными слоями. К внешней стороне широкозонного эмиттера р-типа проводимости примыкает полосковый омический контакт. К внешней стороне подложки примыкает сплошной омический контакт. Область инжекции расположена под полосковым омическим контактом и заключена между пассивными областями. В одной из пассивных областей расположена рельефная структура. Новым в инжекционном лазере является то, что рельефная структура выполнена на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии от ближайшей границы области инжекции с пассивной областью не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции, мкм, при этом величина амплитуды рельефной структуры равна не менее 10λ, где λ - рабочая длина волны инжекционного лазера в свободном пространстве, мкм, а отношение амплитуды рельефной структуры к ее периоду равно не менее 2.
В инжекционном лазере рельефная структура может быть выполнена на внешней стороне двух пассивных областей.
Рельефная структура может быть выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
Рельефная структура может быть выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости, первом и втором волноводных слоях.
Рельефная структура может быть выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости, первом и втором волноводных слоях и в широкозонном эмиттере n-типа проводимости.
В инжекционном лазере рельефная структура может быть выполнена из повторяющихся призм, сечение которых имеет форму равнобедренных треугольников, основанием которых является сторона, ближайшая к области инжекции.
Заявляемый инжекционный лазер обеспечивает упрощение технологии изготовления при сохранении увеличенной выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, улучшенной диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
Упрощение технологии изготовления заявляемого инжекционного лазера, при сохранении высоких выходных характеристик, обеспечивается за счет выполнения рельефной структуры на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии от ближайшей границы области инжекции с пассивной областью не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции, мкм. Удаление рельефной структуры на расстояние не менее 0,1 W от ближайшей границы области инжекции с пассивной областью не приводит к усилению продольного волновода, а значит, не приводит к выполнению пороговых условий для высокодобротных мод продольного волновода, распространяющихся в Фабри-Перо резонаторе, которые ухудшают диаграмму направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры (приводят к увеличению расходимости излучения в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры). Это позволяет сохранить высокое качество диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры. Максимального расстояние от ближайшей границы области инжекции с пассивной областью, на котором расположена рельефная структура, может быть выбрано исходя из принципа технологичности изготовления и использования инжекционных лазеров. Типично это расстояние определяется шириной пассивных областей и составляет 100-200 мкм. При технологической необходимости, определяемой спецификой использования и монтажа инжекционных лазеров, эта величина может быть увеличена или уменьшена относительно указанного максимального расстояния. Величина амплитуды рельефной структуры, равная не менее 10λ, где λ - рабочая длина волны инжекционного лазера в свободном пространстве, мкм, и периодом не более 5λ, (величина периода получена из требования к величине отношения амплитуды рельефной структуры к ее периоду, которое должно быть не менее 2). Требуемая минимальная величина амплитуды рельефной структуры определяется условием достаточности потерь излучения, направленного в сторону пассивных областей из области инжекции, при котором отсутствует обратная связь для замкнутых модовых структур. Максимальная амплитуда рельефной структуры может быть выбрана, исходя из принципа технологичности изготовления и использования инжекционных лазеров, и может составлять 100λ. Большие амплитуды могут быть использованы в случаях технологической необходимости, определяемой спецификой использования и монтажа инжекционных лазеров. Минимальные требования к технологии изготовления реализуются при изготовлении рельефных структур с минимальной величиной периода больше, чем λ. Указанные геометрические размеры рельефной структуры могут быть реализованы с использованием доступных фотолитографических процессов, известных из существующего уровня техники, и не требующих дополнительного дорогостоящего оборудования. Формирование таких рельефных структур приводит к увеличению оптических потерь для замкнутых модовых структур за счет сниженного коэффициента отражения и увеличенных оптических потерь при многократном отражении на элементах сформированных рельефных структур, и, таким образом, обеспечивает подавление генерации ЗМ, что позволяет сохранить увеличенную выходную оптическую мощность как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки.
Настоящий инжекционный лазер поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан в аксонометрии настоящий инжекционный лазер, для которого рельефные структуры выполнены на внешних сторонах обеих пассивных областей;
на фиг. 2 показаны типичные зависимости выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, при непрерывном токе накачки (для первого-седьмого вариантов исполнения настоящего инжекционного лазера - кривая 13, для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера - кривая 14, для известного инжекционного лазера - кривая 15);
на фиг. 3 показаны типичные зависимости выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, при импульсном токе накачки (для первого-седьмого вариантов исполнения настоящего инжекционного лазера - кривая 16, для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера - кривая 17, для известного инжекционного лазера - кривая 18);
на фиг. 4 показаны типичные диаграммы направленности, измеренные в непрерывном токе накачки 4 А, в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, для первого-седьмого вариантов настоящего инжекционного лазера (кривая 19) и известного инжекционного лазера (кривая 20).
Настоящий инжекционный лазер (см. фиг. 1) включает выращенную на подложке 1 лазерную гетероструктуру, содержащую активную область 2, заключенную между первым волноводным слоем 3 и вторым волноводным слоем 4, к которым с внешней стороны примыкают соответственно слой широкозонного эмиттера 5 р-типа проводимости и слой широкозонного эмиттера 6 n-типа проводимости, являющиеся ограничительными слоями, полосковый омический контакт 7, примыкающий к внешней стороне широкозонного эмиттера 5 р-типа проводимости, сплошной омический контакт 8, примыкающий к внешней стороне подложки 1, область инжекции 9 под полосковым омическим контактом 7, заключенную между пассивными областями 10. Настоящий инжекционный лазер включает резонатор Фабри-Перо, который образован двумя параллельными гранями (в общем случае естественносколотыми гранями, что известно из существующего уровня техники) с нанесенным на одну грань просветляющим покрытием и нанесенным на вторую грань отражающим покрытием (на фиг. 1 не указаны). В одной из пассивных областей 10 расположена рельефная структура 11, которая выполнена на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области 10 в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии D, мкм, от ближайшей границы 12 (показана пунктирной линией) области инжекции 9 с пассивной областью 10 не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции 7, мкм, при этом величина амплитуды Н рельефной структуры равна не менее 10λ, где λ - рабочая длина волны инжекционного лазера в свободном пространстве, мкм, а отношение амплитуды Н рельефной структуры Н к ее периоду Т равно не менее 2.
Упрощение технологии при сохранении высоких выходных характеристик настоящего инжекционного лазера обеспечивается за счет использования рельефных структур 11, которые не требуют усложнения технологических операций за счет использования планарной поверхности, отсутствия необходимости формирования фоторезистивных масок с размером единичного элемента менее 1 мкм, отсутствия дополнительных требований по точности воспроизведения рисунка, его однородности и точности глубины травления, так как отсутствует необходимость формировать протяженные двухмерные рисунки, покрывающие всю поверхность пассивной области 10. При этом настоящий инжекционный лазер обеспечивает подавление генерации ЗМ. Для инжекционных лазеров характерна модовая структура излучения, которая рассчитывается с помощью волнового уравнения [Х.Кейси, М.Паниш. - Лазеры на гетероструктурах. - Москва, Мир, 1981; L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., JohnWiley&Sons, 1995).]. Можно выделить два типа модовых структур. Первый - это моды Фабри-Перо резонатора (ФПМ). Для таких мод характерно распространение излучения вдоль оптической оси резонатора под углами к нормали относительно зеркал резонатора (функцию зеркал Фабри-Перо резонатора выполняют естественно сколотая грань с нанесенным просветляющим покрытием и, параллельная ей грань с нанесенным отражающим покрытием, что известно из существующего уровня техники) меньшими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ФПМ характерны отличные от нуля потери на выход излучения из резонатора. Именно это излучение является полезным при использовании инжекционных лазеров как источников оптического излучения. Структуры мод Фабри-Перо резонатора определяют волноводы, сформированные волноводными 3, 4 и эмиттерными (ограничительными) слоями 5, 6 гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7. Второй тип модовых структур - это ЗМ. Для таких мод характерно распространение излучения под углами к нормалям относительно зеркал резонатора и внешним сторонам пассивных областей большими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. Структуры ЗМ определяют волноводы, сформированные волноводным и эмиттерными (ограничительными) слоями 3, 4, 5, 6 гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7, зеркалами Фабри-Перо резонатора и формой внешних сторон пассивных областей 10. Выполнение пороговых условий генерации для ФПМ или ЗМ определяет режим работы инжекционного лазера. Когда порог генерации выполнен только для ФПМ, достигается максимальная полезная выходная эффективность и соответственно выходная оптическая мощность растет. При выполнении пороговых условий генерации для ЗМ часть лазерного излучения не выходит наружу и остается внутри инжекционного лазера. Как следствие, происходит частичное или полное падение выходной оптической мощности и снижение эффективности. В инжекционном лазере порог генерации лазерных мод достигается при выполнении двух условий: равенство модального усиления суммарным оптическим потерям и наличие обратной связи. Первое условие выполняется за счет тока инжекции, протекающего через полосковый омический контакт 7 и создающего инверсную заселенность носителями заряда активной области 2 под полосковым омическим контактом 7. Таким образом, в активной области 2 под полосковым омическим контактом 7 созданы условия для усиления оптического излучения, и эта часть активной области 2 называется областью инжекции 9 в которой происходит усиление лазерного излучения. Для частей активной области 2, расположенных в пассивных областях 10, условия для усиления не созданы, т.к. они электрически изолированы от тока инжекции. Однако остается оптическая связь между частями активной области 2, расположенными в пассивных областях 10 и частью активной области 2 в области инжекции 9, распложенной под омическим контактом 7. Эта связь реализована через общие волноводные слои 3, 4. Второе условие лазерной генерации (обратная связь) для инжекционных лазеров выполняется за счет резонатора, сформированного естественно сколотыми гранями. Естественно сколотые грани формируют два типа резонаторов: резонатор Фабри-Перо образован двумя зеркалами (параллельно сколотыми гранями), резонатор ЗМ образован двумя зеркалами резонатора Фабри-Перо и ортогональными им внешними поверхностями пассивных областей 10. В общем случае внешние поверхности пассивных областей 10 получают при изготовлении инжекционного лазера путем раскалывания гетероструктуры, что известно из существующего уровня техники. Подавление генерации ЗМ в настоящем инжекционном лазере обеспечено за счет подавления обратной связи в резонаторе ЗМ. Обратная связь в резонаторе ЗМ подавлена за счет рельефной структуры 11, которая выполнена на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области 10 в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии D от ближайшей границы 12 области инжекции 9 с пассивной областью 10 не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции, мкм, при этом величина амплитуды Н рельефной структуры равна не менее 10λ, где λ - рабочая длина волны инжекционного лазера в свободном пространстве, мкм, а отношение амплитуды рельефной структуры к ее периоду Т равно не менее 2. Указанные условия обеспечивают поглощение и вывод спонтанного излучения, распространяющегося из части активной области 2, расположенной в области инжекции 9, в пассивные области 10.
Для подавления обратной связи в резонаторе ЗМ, установлено, что рельефные структуры 11 должны быть выполнены на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области 10 в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии от ближайшей границы 12 области инжекции 9 с пассивной областью 10 не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции, мкм, при этом величина амплитуды Н рельефной структуры равна не менее 10λ, где λ - рабочая длина волны инжекционного лазера в свободном пространстве, мкм, а отношение амплитуды рельефной структуры к ее периоду Т равно не менее 2. Указанные условия обеспечивают поглощение и вывод спонтанного излучения, распространяющегося из части активной области, расположенной в области инжекции 9, в пассивные области 10. В противном случае лучи ЗМ возвращаются из пассивной области 10 в область инжекции 9, где происходит их усиление. Это приводит к выполнению пороговых условий для ЗМ и падению излучаемой мощности инжекционного лазера. Установленные размеры и расположение рельефных структур обеспечивает упрощение технологии изготовление инжекционного лазера при сохранении увеличенной выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, улучшенной диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
Настоящий инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый контакт 7 инжекционного лазера (см. фиг. 1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению р-n перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения, через естественно сколотую грань - зеркало с нанесенным просветляющим покрытием выходит лазерное излучение Фабри-Перо моды. Заявляемый инжекционный лазер работает как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки. Это связано с тем, что в непрерывном режиме накачки существенную роль играет тепловой разогрев, тогда как в импульсном режиме накачки увеличение внутренних оптических потерь в области инжекции, что известно из существующего уровня техники. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока. Спонтанное излучение, выходящее в пассивные области 10, выводится наружу или поглощается за счет сформированных рельефных структур 11 (см. фиг. 1). Это подавляет обратную связь для замкнутой моды. В результате сохраняется генерация только мод Фабри-Перо резонатора, что ведет к сохранению увеличенной выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки. Расположение рельефных структур 11 на внешней стороне по меньшей мере одной пассивной области 10 в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры, на расстоянии D от ближайшей границы 12 области инжекции 9 с пассивной областью 10 не менее 0,1 W, где W - ширина области инжекции, обеспечивает сохранение улучшенной диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
0.3
0.7
0.4
0.6
0.4
0.6
Пример. Были проведены сравнительные испытания известного инжекционного лазера и настоящего инжекционного лазера. Был изготовлен известный инжекционный лазер на основе гетероструктуры включающей волноводный слой AlGaAs толщиной 1 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs р-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером AlGaAs n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя GaAs толщиной 12 нм, что обеспечивало рабочую длину волны излучения инжекционного лазера в свободном пространстве 0,85 мкм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 2 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5% и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, примыкающий к внешней стороне широкозонного эмиттера р-типа проводимости.
0.3
0.7
0.4
0.6
0.4
0.6
Настоящий инжекционный лазер был изготовлен на основе такой же гетероструктуры, как и известный инжекционный лазер. Однако в настоящем инжекционном лазере на внешней стороне пассивной области была выполнена рельефная структура. Гетероструктура настоящего инжекционного лазера включала волноводный слой AlGaAs толщиной 1 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs р-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером AlGaAs n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя GaAs толщиной 12 нм, что обеспечивало рабочую длину волны излучения инжекционного лазера в свободном пространстве 0,85 мкм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 2 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5% и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной W, примыкающий к внешней стороне широкозонного эмиттера р-типа проводимости. Было рассмотрено восемь вариантов выполнения инжекционных лазеров, отличающихся параметрами выполненных рельефных структур. Варианты с первого по седьмой были выполнены на основе одинаковых гетероструктур. В восьмом варианте настоящего инжекционного лазера в конструкции гетероструктуры была изменена активная области для реализации условий генерации на другой рабочей длине волны.
В первом варианте использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, при этом рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью равно 10 мкм. Рельефная структура имела амплитуду Н=10 мкм, период Т рельефной структуры был 5 мкм. Рельефная структура была выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
Для второго варианта использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, при этом, по сравнению с первым вариантом, было увеличено расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью, которое составило 20 мкм, при этом остальные характеристики рельефной структуры были такие же как в первом варианте. Рельефная структура имела амплитуду Н=10 мкм, период Т рельефной структуры был 5 мкм. Рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Рельефные структуры была выполнены в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
В третьем варианте использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм. Расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью было таким же, как в первом варианте D=10 мкм, однако была увеличена амплитуда Н рельефной структуры до 20 мкм и период Т рельефной структуры был равен 10 мкм, остальные характеристики рельефной структуры были такие же, как в первом варианте. Рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Рельефные структуры была выполнены в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
В четвертом варианте использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм. По сравнению с третьим вариантом было увеличено отношение амплитуды рельефной структуры к периоду до 4 за счет уменьшения периода до 5 мкм, при этом остальные параметры были такие же как в третьем варианте: расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью составляло 10 мкм, амплитуда Н рельефной структуры равна 20 мкм. Рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Рельефные структуры была выполнены в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
В пятом варианте была изменена ширина полоскового омического контакта. Полосковый омический контакт имел ширину W=200 мкм. Расстояние от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью D=20 мкм. Остальные параметры рельефной структуры были такие же как в первом варианте. Рельефная структура имела амплитуду Н=10 мкм, период Т рельефной структуры был 5 мкм. Рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Рельефные структуры была выполнены в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
В шестом варианте использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, однако рельефная структура была выполнена на внешней стороне только одной пассивной области. Остальные характеристики рельефной структуры были такие же, как в первом варианте. Расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью было равно 10 мкм. Рельефная структура имела амплитуду Н=10 мкм, период Т рельефной структуры был 5 мкм. Рельефная структура была выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
В седьмом варианте использовали полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, при этом рельефная структура была выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости, первом и втором волноводных слоях и широкозонном эмиттере n-типа проводимости. Остальные характеристики рельефной структуры были такие же, как в первом варианте. Указанные рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры (см. фиг. 1). Расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью составляло 10 мкм. Рельефная структура имела амплитуду Н=10 мкм, период Т рельефной структуры был 5 мкм. Рельефная структура была выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
0.3
0.7
0.4
0.6
0.4
0.6
Для реализации восьмого варианта использовали гетероструктуру с активной областью на одного квантово-размерного активного слоя GaInAs, толщиной 10 нм, что обеспечивало рабочую длину волны излучения инжекционного лазера в свободном пространстве 1,06 мкм. Остальные параметры гетероструктуры и инжекционного лазера остались неизменными. Гетероструктура включала волноводный слой AlGaAs толщиной 1 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs р-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером AlGaAs n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя GaInAs толщиной 10 нм. Оптический Фабри-Перо резонатор длинной 2 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5% и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной W=100 мкм, примыкающий к внешней стороне широкозонного эмиттера р-типа проводимости. Рельефные структуры были выполнены на внешней стороне обеих пассивных областей, в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры (см. фиг. 1). Расстояние D от рельефной структуры до ближайшей границы области инжекции с пассивной областью составляло 10 мкм. Рельефная структура имела амплитуду Н=20 мкм, период Т рельефной структуры был 10 мкм. Рельефная структура была выполнена в широкозонном эмиттере р-типа проводимости и первом волноводном слое.
Основные параметры настоящего инжекционного лазера для различных вариантов его изготовления приведены в таблице, приведенной ниже.
Через полосковый омический контакт всех вариантов исполнения инжекционных лазеров в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствовал прямому смещению р-n перехода. В первом режиме накачки пропускали непрерывный ток, во втором режиме накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс. Для первого-седьмого вариантов исполнения инжекционных лазеров зависимости оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки отличий не наблюдалось, поэтому на фиг. 2 (кривая 13) показана типичная непрерывная зависимость выходной оптической мощности от тока накачки для первого-седьмого вариантов исполнения настоящих инжекционных лазеров. Восьмой вариант инжекционного лазера проходил также измерения зависимостей выходной мощности от тока накачки в непрерывном режиме, как это было сделано для первого-седьмого вариантов. На фиг. 2 (кривая 14) показана типичная непрерывная зависимость выходной оптической мощности от тока накачки для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера. Известный инжекционный лазер проходил также измерения зависимостей выходной мощности от тока накачки в непрерывном и импульсном режимах, как это было сделано для вариантов реализации настоящих инжекционных лазеров. На фиг. 2 (кривая 15) показана типичная непрерывная зависимость выходной оптической мощности от тока накачки для известного инжекционного лазера. Максимальное значение выходной оптической мощности при непрерывном токе накачки достигало 8 Вт для первого-седьмого вариантов исполнения настоящего инжекционного лазера, 6,9 Вт для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера и 3,6 Вт для известного инжекционного лазера. Резкое снижение оптической мощности для известного инжекционного лазера свидетельствует о включении ЗМ. Разная оптическая мощность между первым-седьмым и восьмым вариантами исполнения связана с разной энергией фотона, определяемой длиной волны генерации.
Для первого-седьмого вариантов исполнения настоящих инжекционных лазеров зависимости пиковой оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от амплитуды импульсного тока накачки отличий не наблюдалось, поэтому на фиг. 3 (кривая 16) показана типичная импульсная зависимость пиковой выходной оптической мощности от амплитуды тока накачки для первого-седьмого вариантов исполнения настоящих инжекционных лазеров. Восьмой вариант настоящего инжекционного лазера проходил также измерения зависимостей выходной мощности от тока накачки в импульсном режиме, как это было сделано для первого-седьмого вариайтов. На фиг. 3 (кривая 17) показана типичная импульсная зависимость пиковой выходной оптической мощности от амплитуды тока накачки для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера. Известный инжекционный лазер проходил также измерения зависимостей выходной мощности от тока накачки в импульсном режиме, как это было сделано для вариантов реализации настоящих инжекционных лазеров. На фиг. 3 (кривая 18) показана типичная импульсная зависимость пиковой выходной оптической мощности от амплитуды тока накачки для известного инжекционного лазера. Максимальное значение выходной оптической мощности при импульсном токе накачки достигало 45 Вт для первого-седьмого вариантов исполнения настоящего инжекционного лазера, 37 Вт для восьмого варианта исполнения настоящего инжекционного лазера и 18,6 Вт для известного инжекционного лазера. Резкое снижение оптической мощности для известного инжекционного лазера свидетельствует о включении ЗМ. Разная оптическая мощность между первым-седьмым и восьмым вариантами исполнения связана с разной энергией фотона, определяемой длиной волны генерации.
Значения максимальной выходной оптической мощности, полученные для настоящего инжекционного лазера в непрерывном и импульсном режимах накачки выше максимальных значений оптической мощности для известного инжекционного лазера. Это значит, что выполненные рельефные структуры достаточно эффективны для подавления обратной связи в ЗМ и сохранения сохранении увеличенной выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки.
Результаты измерения диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры показаны на фиг. 4. Видно, что в настоящем инжекционном лазере удается сохранить улучшенную диаграмму направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры.
Для изготовления настоящего инжекционного лазера использовали стандартную технологию, которая не требовала использования дополнительного оборудования, а также усложнения технологического маршрута, связанного с изготовлением прецизионных масок из фоторезиста, дополнительного контроля формы рельефных структур. Это связано с использованием достаточно крупных рельефных структур, а также необходимостью формирования рельефных структур только на внешней стороне пассивных областей в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры. Таким образом, настоящий инжекционный лазер позволяет сохранять повышенные мощностные характеристики в непрерывном и импульсном режиме, а также обладает улучшенной диаграммы направленности в плоскости, параллельной слоям гетероструктуры, при упрощении технологии изготовления.