ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике, точнее - к компактным источникам лазерного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн, а именно к полупроводниковым одночастотным источникам инфракрасного (ИК) излучения на основе лазера с резонатором на модах шепчущей галереи (Whispering Gallery Modes - WGM). Данные источники ИК-излучения находят применение в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах.
В настоящее время возникла острая потребность в одночастотных источниках излучения, работающих в спектральном диапазоне 1.6÷5 мкм для диодно-лазерных спектрометров высокого разрешения. В данном спектральном диапазоне лежат характеристические линии поглощения значительного числа ядовитых и вредных газов и жидкостей, взрывчатых веществ и т.п. Однако преимущества оптического детектирования таких веществ не используются в полной мере из-за отсутствия простых источников когерентного излучения на этот диапазон длин волн.
Активной областью полупроводникового лазера, работающего в средней ИК-области спектра, обычно является узкозонный полупроводник. В таких полупроводниках сильны (по сравнению с более широкозонными) процессы безызлучательной рекомбинации, что понижает коэффициент усиления в активной области. Следовательно, возрастают требования к добротности лазерного резонатора, заключающего в себе активную область и обеспечивающего обратную связь для вынужденного излучения света. Резонатор во многом определяет не только размер и форму лазера, но и параметры излучения: мощность, направленность и спектральные характеристики лазера.
В лазерах с резонаторами на WGM обратная связь осуществляется с замыканием луча света. Такие резонаторы используют эффект полного внутреннего отражения. В лазере с резонатором на WGM свет циркулирует по кругу внутри резонатора вдоль его периметра, многократно отражаясь от стенок под углом наклона, большим, чем критический угол для полного внутреннего отражения. Область локализации света в таком резонаторе составляет несколько длин волн от края резонатора. Потери света, обусловленные поглощением и рассеянием на шероховатостях поверхности, минимальны благодаря высокой добротности резонатора на WGM. Основным механизмом оптических потерь, обуславливающих пороговый ток, является рассеяние света на неоднородностях краев резонатора. В ИК-диапазоне из-за относительно большой длины волны качество границы «полупроводник-воздух» не так существенно, как для видимого диапазона. Преимущества лазеров с резонатором на WGM - технологичность, низкие значения порогового тока, высокая добротность резонатора, позволяющая использовать материалы для активной области с низким оптическим усилением.
3
5
Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. заявка US 2009154505, МПК H01S 3/10, опубликована 18.06.2009), включающий полупроводниковую подложку с двумя геометрически разнесенными резонаторами на основе соединений АВ с различающимися радиусами, оптически связанными пассивными волноводами, сплошной омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с резонаторами, и два кольцевых омических контакта, каждый из которых нанесен на торец соответствующего резонатора. Связь первого и второго резонаторов формирует новый дважды связанный резонатор, в котором стабильная лазерная осцилляция происходит только на резонансной длине волны, на которой два резонатора взаимодействуют на резонансной частоте.
Недостатком известного источника инфракрасного излучения является сложность конструкции, так как, кроме резонаторов, в нем имеются еще два волновода (ввод и вывод), что обуславливает дополнительные оптические потери при передаче света по волноводу и усложняет технологию изготовления источника.
Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. патент ЕР 1737090, МПК G02B 6/12; G02F 1/01; H01S 5/10, H01S 5/06, опубликован 18.07.2012), включающий полупроводниковый излучатель для оптической накачки лазера, который передает свет через оптоволоконную линию на первый резонатор, содержащий нагревательные элементы, служащие для изменения длины волны. Первый резонатор оптически связан со вторым резонатором, который также содержит нагревательные элементы.
Недостатком известного полупроводникового источника является его сложная конструкция из-за наличия оптоволоконных линий, нагревательных элементов и пассивных резонаторов, которые вносят дополнительные оптические потери при передаче света по оптоволоконной линии от источника к резонатору. В известном полупроводниковом источнике управление длиной волны осуществляют за счет нагрева резонаторов.
Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. заявка US 2017264079, МПК H01S 3/067, H01S 3/08, H01S 5/065, опубл. 14.09.2017), содержащий полупроводниковую подложку, на которой расположены лазерный диод и оптически соединенный с ним однонаправленный резонатор на WGM. Лазерный диод может быть выполнен в виде Фабри-Перо (ФП) лазерного диода, лазерного диода с распределенной обратной связью (РОС) и лазерного диода с распределенным брегговским отражателем (РБО).
Недостатком известного полупроводникового источника является сложность его конструкции, поскольку для обеспечения одномодового режима генерации необходимо использовать сложные в изготовлении и дорогие РОС и РБО лазеры, а также интегрированный WGM-резонатор. При этом в данной конструкции отсутствует возможность перестройки линии генерации лазера.
Известен перестраиваемый по длине волны лазер (см. патент US 7664156, МПК H01S 3/081; H01S 3/083, 16.02.2010), включающий подложку с оптически связанными и геометрически разнесенными кольцевыми резонаторами, в которые вводят свет по оптоволоконным линиям на кольцевые резонаторы. Для управления длиной волны кольцевых резонаторов используют нагревательные элементы.
Известный перестраиваемый по длине волны лазер содержит многочисленные дополнительные элементы, вводящие дополнительные оптические потери при передаче света по оптоволоконным линиям от источника света к кольцевым резонаторам.
к
к
к
Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. патент RU 2465699, МПК H01S 5/065, H01S 5/10, H01L 27/08, опубл. 27.10.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Полупроводниковый источник-прототип включает полупроводниковую подложку с двумя оптически связанными и взаимно перекрывающимися в области волноводов на глубину D резонаторами на WGM в виде гетероструктур, содержащих активную область, первый омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с резонаторами на WGM, и второй и третий кольцевые омические контакты. Второй и третий омические контакты нанесены на торец соответствующего резонатора. Расстояние от внешнего края второго и третьего омических контактов до внешнего края резонатора не превышает 100 мкм. Глубина D перекрытия резонаторов на WGM удовлетворяет соотношению: 0<D<10λ мкм, где λ - длина волны излучения (в кристалле) полупроводникового источника инфракрасного излучения, мкм; λ=λ/n, где n - показатель преломления полупроводникового кристалла.
В полупроводниковом источнике-прототипе излучение выходит со всех боковых поверхностей резонаторов за счет рассеяния на неоднородностях кристаллической решетки, в нем отсутствует возможность широкой перестройки линии генерации источника, а суммарная мощность излучения варьируется от 0,5 до 2,0 мВт, что существенно сужает спектр применений полупроводникового источника.
Задачей настоящего технического решения является разработка полупроводникового источника инфракрасного излучения, который бы обеспечивал направленное выведение излучения, повышенную выходную мощность излучения и более широкое перестроение линии генерации излучения.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый источник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку с первым и вторым оптически связанными резонаторами на WGM в виде гетероструктур, содержащих активную область, первый омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с первым и вторым резонаторами на WGM, и второй и третий омические контакты, нанесенные на торец соответственно первого и второго резонаторов на WGM. Расстояние от внешнего края второго и третьего контактов до внешнего края соответственно первого и второго резонаторов на WGM не превышает 100 мкм. По меньшей мере активные области первого и второго резонаторов на WGM соединены перемычкой длиной L и шириной h, удовлетворяющим соотношениям:
0<L<5λ;
0<h<0,2⋅R;
где λ - длина волны излучения (на воздухе) полупроводникового источника инфракрасного излучения, мкм;
R - радиус резонатора, мкм.
Второй резонатор на WGM со стороны, противоположной первому резонатору на WGM, выполнен усеченным по плоскости, параллельной его оси, второй омический контакт выполнен в форме полукольца, третий омический контакт выполнен в форме части кольца, и на торец первого резонатора на WGM нанесен четвертый омический контакт в виде полукольца, противолежащий второму омическому контакту.
Второй резонатор на WGM может быть усечен по диаметру резонатора.
Первый и второй резонаторы на WGM могут быть выполнены соответственно в виде диска и усеченного диска.
Первый и второй резонаторы на WGM могут быть выполнены соответственно в виде кольца и усеченного кольца.
Выбор граничных значений L и h обусловлен следующим. При величине L≥5λ излучение хуже перетекает из одного резонатора в другой, что затрудняет появление одномодового режима генерации. При h≥0,2⋅R резонатор уже слишком сильно деформирован, что приводит к появлению хаотических мод в резонаторе и срыву одномодового режима.
Второй омический контакт первого резонатора на WGM необходим для реализации управляемого поглотителя, четвертый омический контакт первого резонатора на WGM предназначен для накачки первого резонатора, а третий омический контакт предназначен для накачки второго усеченного резонатора на WGM.
Выполнение второго резонатора на WGM усеченным по плоскости, параллельной его оси, со стороны, противоположной первому резонатору, выполнение второго омического контакта в форме полукольца, третьего омического контакта в форме части кольца и нанесение на торец первого резонатора на WGM четвертого омического контакта в виде полукольца, противолежащего второму омическому контакту, позволяет формировать два когерентных направленных лазерных пучка, уменьшает общую добротность резонансной системы полупроводникового источника, что обеспечивает повышение выходной мощности излучения и более широкое перестроение линии генерации излучения.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан вид сбоку на полупроводниковый источник инфракрасного излучения с двумя оптически связанными и соединенными перемычкой резонаторами на модах шепчущей галереи (WGM) соответственно в виде диска и усеченного диска;
на фиг. 2 приведен вид сверху на полупроводниковый источник инфракрасного излучения, показанный на фиг. 1;
c
v
на фиг. 3 схематически показана зонная диаграмма резонатора на WGM полупроводникового источника инфракрасного излучения, изображенного на фиг. 1 (E - зона проводимости, E - валентная зона);
на фиг. 4 показан вид сбоку на полупроводниковый источник инфракрасного излучения с двумя связанными и соединенными перемычкой резонаторами на WGM соответственно в виде кольца и усеченного кольца;
на фиг. 5 приведен вид сверху на полупроводниковый источник инфракрасного излучения, показанный на фиг. 6.
2
6
0,9
0,1
0,08
0,92
0,25
0,75
0,02
0,98
0,9
0,1
0,08
0,92
Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку 1, например, из n-GaAs, InP, АВ, на одной стороне которой сформированы, например (см. фиг. 1, фиг. 2), резонатор 2 на WGM в виде диска и резонатор 3 на WGM в виде усеченного диска. Резонаторы на WGM могут быть выполнены также (фиг. 4, фиг. 5) следующим образом: резонатор 4 на WGM в виде кольца и резонатор 5 на WGM в виде усеченного кольца. Резонаторы 2, 3, 4 и 5 на WGM выполнены из полупроводниковых гетероструктур. Резонаторы 2, 4 включают первый ограничительный слой 6, активную область 7, второй ограничительный слой 8, а также выполненные в виде полуколец первый контактный слой 9 и второй контактный слой 10, второй омический контакт 11 и четвертый омический контакт 12. Резонаторы 3, 5 включает первый ограничительный слой 6, активную область 7, второй ограничительный слой 8, а также выполненные в виде части колец третий контактный слой 13 и третий омический контакт 14. На другую сторону подложки 1 нанесен первый омический контакт 15. Расстояние от внешнего края омических контактов 11, 12, 14 до внешнего края соответственно резонаторов 2, 4 и резонаторов 3, 5 не превышает 100 мкм, Резонаторы 2, 3, 4 и 5 могут, например, содержать (см. фиг. 3) первый ограничительный слой 6 из n-AlGaAsSb, активную область 7 из AlGaAsSb с двумя квантовыми ямами 16 из GaInAsSb, второй ограничительный слой 8 из p-AlGaAsSb и контактный слой соответственно 10 (13) из p-GaSb. Резонаторы 2, 4 оптически связаны соответственно с резонаторами 3, 5. По меньшей мере активные области резонаторов 2, 4 соединены соответственно перемычками 17, 18 длиной L и шириной h по меньшей мере с активными областями соответственно резонаторов 3, 5. Длина L и ширина h перемычек 17, 18 удовлетворяют соотношениям:
0<L<5λ;
0<h<0,2⋅R.
Полупроводниковый источник инфракрасного излучения работает следующим образом. При подаче на омические контакты 11, 12 и 14 импульсов напряжения прямоугольной формы (относительно заземленного омического контакта 15) длительностью 3-40 мкс определенной частоты (0.5-16 кГц) лазерная система входила в одномодовый режим генерации. Для обеспечения перестройки лазерной линии амплитуду питающих импульсов на омических контактах 12 и 14 фиксировали на одном уровне (4 В), а на омическом контакте 11 напряжение меняли в широких пределах (0-6 В), при этом система генерировала одну моду, которую можно было перестраивать в широких пределах (до ). Система имела два выходных лазерных пучка, выходящих с боковой поверхности резонатора 3 в местах скола структуры под омическим контактом 14. При подаче напряжения только на омические контакты 11 и 12 наблюдали многомодовый спектр излучения, при этом двух направленных пучков под омическим контактом 14 у резонатора 3 не наблюдали, так как резонатор 3 без подачи напряжения питания работает как поглощающий элемент. Излучение в данном случае выходит только с боковой поверхности резонатора 2. При подаче напряжение только на омический контакт 14 наблюдали многомодовый спектр излучения с двумя направленными лазерными пучками под омическим контактом 14 у резонатора 3.
0,9
0,1
0,08
0,92
0,25
0,75
0,02
0,98
0.65
0.35
0.11
0.89
0,9
0,1
0,08
0,92
Пример 1. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включал полупроводниковую подложку из n-GaSb, на одной стороне которой были сформированы в виде гетероструктур: первый резонатор на WGM, в виде диска и второй резонатор на WGM в виде полудиска, оптически связанные и геометрически соединенные перемычкой длиной L=10 мкм и шириной h=10 мкм по всей высоте резонаторов. На другую сторону подложки был нанесен первый омический контакт. Резонаторы на WGM содержали (см. фиг. 1, фиг. 2) первый ограничительный слой из n-AlGaAsSb, активную область из n-AlGaAsSb с двумя квантовыми ямами из n-GaInAsSb, второй ограничительный слой из p-AlGaAsSb, соответственно контактные слои из p-GaSb и омические контакты Cr-Au: Te-Au. На другую сторону подложки был нанесен омический контакт. На соответствующие омические контакты резонаторов подавались импульсы напряжения (длительность 3-40 мкс) с различными частотами (0,5-16 кГц), в результате чего резонаторы начинали работать на своей собственной частоте. При этом электромагнитная волна, циркулировавшая по кругу в волноводе каждого из резонаторов, перетекала по перемычке из одного резонатора в другой. Затем оба резонатора начинали генерировать излучение на одной и той же частоте, так как наиболее близкие по частоте моды каждого резонатора подстраивали свою частоту и входили в резонанс, а остальные моды гасли. Таким образом, начинал работать одночастотный источник ИК-излучения. Выходная мощность излучения была больше по сравнению с полупроводниковым источником-прототипом. При этом обеспечивалась перестройка линии генерации лазерного излучения на .
Пример 2. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включал полупроводниковую подложку из n-GaSb, на одной стороне которой были сформированы в виде гетероструктур (аналогично примеру 1): первый резонатор на WGM, в виде кольца и второй резонатор на WGM в виде полукольца, оптически связанные и геометрически соединенные перемычкой длиной L=10 мкм и шириной h=10 мкм по всей высоте резонаторов. В диапазоне длин волн 2,26-2,27 мкм оба резонатора входили в резонанс и генерировали когерентное излучение на одной частоте. Таким образом, оба резонатора работали как одночастотный ИК-излучатель, формируя два когерентных направленных лазерных пучка. Выходная мощность излучения была больше по сравнению с полупроводниковым источником-прототипом. При этом обеспечивалась перестройка линии генерации лазерного излучения на .