ОДНОЧАСТОТНЫЙ КВАНТОВО-КАСКАДНЫЙ ЛАЗЕР СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к квантовой электронике, а именно к устройствам, генерирующим одночастотное лазерное излучение в среднем инфракрасном диапазоне.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка CN 101026287, МПК H01S 5/187, H01S 5/20, H01S 5/343, опубл. 29.08.2007), включающий подложку GaAs, на одной стороне которой нанесен нижний металлический контакт, а на другой стороне подложки сформирована нижняя волноводная обкладка, нижний волноводный слой, активная область, верхний волноводный слой, верхняя обкладка и верхний контактный слой на котором расположена дифракционная решетка распределенной обратной связи с прямыми штрихами.
Недостатком известного лазера является наличие поглощения в приконтактной области, что увеличивает потери, также такая конструкция не обеспечивает исключение негативного влияния на характеристики устройства отражения от плоских выходных граней.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка JP 2009054637, МПК H01S 5/12, H01S 5/227, H01S 5/343, опубл. 12.03.2009), содержащий подложку, на которой нанесен нижний волноводный контакт, нижняя обкладка волновода, волноводный слой, активная область, верхний волноводный слой, верхняя обкладка, контактный слой. На контактном слое изготовлена решетка распределенной обратной связи с прямыми штрихами и верхний металлический контакт.
Недостатком известного квантово-каскадного лазера является наличие поглощения в приконтактной области, что увеличивает потери, также в лазере не обеспечено исключение срыва одночастотной генерации из-за наличия отражения от плоских выходных граней.
+
+
Известен квантово-каскадный лазер (заявка JP 2018046128, МПК H01S 5/12, H01S 5/343, опубл. 22.03.2018), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Лазер-прототип содержит подложку из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости, слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи и слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n-типа проводимости. Полосок выполнен в форме равнобедренной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера. Эквидистантно расположенные штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме отрезков прямых линий. На тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое сформированы металлические контакты.
В лазере-прототипе для света, распространяющегося под углом к прямым штрихам, решетка распределенной обратной связи будет сохранять периодичность, что будет приводить срыву одночастотной генерации из-за наличия отражения от плоских выходных граней лазера и к появлению паразитных мод, поддерживающих брегговское отражение.
Задачей настоящего технического решения является разработка квантово-каскадного лазера, в котором бы исключался срыв одночастотной генерации из-за отражения от плоских выходных граней лазера.
+
+
⋅
Поставленная задача решается тем, квантово-каскадный лазер на основе соединений А3В5 включает подложку из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости и слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи с эквидистантными штрихами, слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n-типа проводимости. На тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое нанесены металлические контакты. Новым в квантово-каскадном лазер является то, что штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме дуг концентрических окружностей, при этом радиус первой от центра окружности равен не менее 20λ, где λ - длина волны генерации, мкм, а полосок выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи.
Активная область может содержать от 10 до 100 квантовых каскадов.
2
Известно, что срыв одночастотной генерации в лазерах, содержащих дифракционную решетку распределенной обратной связи (РОС) происходит под влиянием сдвига фазы распространения света в структуре с РОС из-за возникновения отражения на выходных гранях лазерного чипа (W. Streifer, R.D. Burham, D.R. Scifres "Effect of External Reflectors on Longitudal Modes of Distributed Feedback Lasers", IEEE Journal of Quant. El., v. 11(4), p. 154-161, 1975). В настоящем лазере свет, распространяющийся перпендикулярно штрихам решетки, благодаря форме полоска, который в плане (сверху) представляет собой прямоугольную трапецию, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи, не испытывает отражения назад, (за исключением лишь края полоска перпендикулярного выходному зеркалу лазерного чипа), что в свою очередь исключает появление нежелательных интерференционных эффектов, присущих полупроводниковым лазерам с РОС. Параметры трапеции выбирают таким образом, чтобы площадь полоска не превышала 1 мм, так как при большей площади требуются слишком большие токи для получения лазерной генерации, что может приводить к перегреву устройства. Таким образом, предлагаемая конструкция квантово-каскадного лазера позволяет исключить влияние отражения от плоских выходных граней на характеристики лазера с РОС.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан вид в плане (сверху) на квантово-каскадный лазер с частичным разрезом по уровню дифракционной решетки;
на фиг. 2 приведен вид спереди на квантово-каскадный лазер с частичным поперечным разрезом;
на фиг. 3 показан квантово-каскадный лазер в продольном разрезе.
+
+
0.53
0.47
0.53
0.47
0
0
2
3
4
2
3
Настоящий квантово-каскадный лазер (на фиг. 1 - на фиг. 3) содержит нижний металлический контакт 1, подложку 2 InP n-типа проводимости, буферный слой 3 InP n-типа проводимости, слой 4, служащий нижней волноводной обкладкой на основе InGaAs, например, InGaAs, n-типа проводимости. На слое 4 выполнен полосок 5, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область 6 на основе соединений А3В5, дифракционную решетку 7 распределенной обратной связи, слой 8 верхней волноводной обкладки на основе InGaAs, например InGaAs, n-типа проводимости, верхний контактный слой 9 n-типа проводимости и верхний металлический контакт 10. Слой 4 нижней волноводной обкладки, активнная область 6 и слой 8 верхней волноводной обкладки образуют лазерный волновод. Дифракционная решетка 7 распределенной обратной связи с периодом m⋅λ/2⋅N (где λ - длина волны генерации лазера, m - порядок дифракции, N - эффективный показатель преломления), с глубиной травления 10-100 нм. Штрихи 11 решетки 7 (фиг 1). распределенной обратной связи выполнены в форме эквидистантных дуг концентрических окружностей, при этом радиус R первой от центра окружности равен не менее 20⋅λ. В случае если R меньше 20⋅λ, то штрихи решетки становятся не эквидистантными, что затрудняет изготовление таких квантово-каскадных лазеров. Полосок 5 выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней выходной гранью 12 и задней выходной гранью 13 лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра О концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи 11 дифракционной решетки распределенной обратной связи. Боковые протравленные области полоска 5 покрывают диэлектриком 14 на основе SiO, или SiN, или AlO.
Настоящий квантово-каскадный лазер работает следующим образом. При накачке лазера электрическим током, ток протекает через полупроводниковую структуру квантово-каскадного лазера, в результате чего возникает электролюминесценция на внутризонных переходах в квантовых каскадах квантово-каскадную активнной области 6. Свет, распространяясь по лазерному волноводу, испытывает многократные отражения от искривленных штрихов 11 решетки 7 распределенной обратной связи. После достижения порогового условия наступает лазерная генерация на одной продольной моде распределенной обратной связи, для которой пороговое усиление является наименьшим. Поддерживаемая такой распределенной оделенной обратной связью, лазерная мода распространяется перпендикулярно штрихам 11 решетки 7 распределенной обратной связи, представляющим собой дуги концентрических окружностей. В предлагаемом устройстве лазерное излучение, отражающееся от выходных граней 12 и 13 лазера, испытывает отражение под углом, не совпадающим с направлением распространения излучения моды распределенной обратной связи, что исключает влияние отраженного излучения от плоских выходных граней 12 и 13 лазера на одночастотный режим генерации.
Изготовленный макетный образец квантово-каскадного лазера показал устойчивую одночастотную генерацию вблизи 8 мкм.
Квантово-каскадный лазер может быть изготовлен эпитаксиальным выращиванием и пост ростовой обработкой, что обеспечивает сравнительную простоту технологического процесса и низкую себестоимость. Лазерные полоски формируют на гетероструктуре стандартными методами пост ростовой обработки полупроводниковых пластин. Готовые лазеры выкалывают из готовых структур.