СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА С ПОВЫШЕННОЙ ЯРКОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF MAKING HIGH RADIATION BRIGHTNESS LASER DIODE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу изготовления лазерного диода, в частности к способу изготовления лазерного диода с повышенной яркостью излучения. Более конкретно, изобретение относится к способу изготовления лазерного диода широкоэмиттерного типа в сочетании с цифровой планарной голограммой. Изобретение может найти применение для увеличения яркости света, излучаемого лазерным диодом в сочетании с цифровой планарной голограммой (далее, называемой ЦПГ) и для уменьшения количества мод выходного света. Уменьшение количества мод позволяет понизить расходимость выходного пучка без ощутимой потери световой мощности. Способ может найти применение также при изготовлении оптических устройств для передачи световой энергии на большие расстояния, для лазерной обработки материалов, для освещения удаленных объектов видимым и инфракрасным светом, и т.п.
Предпосылки к созданию изобретения
Одна из проблем, существующих в лазерной технике, это сложность структуры излучения, генерируемого диодами с эмиттером излучения, сформированным в торце волновода, являющегося, в свою очередь, частью активной лазерной среды. Известно, что лучи света, излучаемые подобными диодами с торцевым излучением, имеют сложную структуру. Такие лучи ассиметричны и имеют разную расходимость в плоскости эмиттера (т.е. по так называемой, медленной оси) и в плоскости, перпендикулярной к плоскости эмиттера (т.е., по так называемой, быстрой оси). Хотя расходимость лучей по быстрой оси намного больше, чем по медленной оси, фронт волны в направлении быстрой оси близок к форме цилиндрической волны и луч может быть коллимирован с помощью цилиндрической линзы. С другой стороны, в направлении медленной оси структура луча является очень сложной, и его коллимация может быть трудной или вообще возможна лишь до определенной степени.
Структура излучения вышеупомянутого типа существенно усложняет формирование требуемого светового пучка, его коллимацию, фокусирование на объекте и введение в оптическое волокно. Одним из решений указанной выше проблемы является ввод лазерного диода в такой режим работы, чтобы вдоль медленной и быстрой осей он имел лишь одну излучающую моду. Эта процедура называется селекцией мод. Такой режим работы удается реализовать за счет построения внешнего резонатора, состоящего из множества отдельных элементов объемного типа, требующих индивидуальной прецизионной настройки, что является крайне нетехнологичным в массовом производстве и поэтому не используется. Конструкции подобных внешних резонаторов известны и многократно описаны в учебниках. Другое решение указанной выше проблемы заключается в применении анаморфной оптики, такой как специальные отдельные коллиматоры для коллимации излучения в направлении быстрой и медленной осей, специальная фокусирующая оптика, и т.п. Однако прецизионные коллиматоры такого типа являются дорогостоящими и требуют применения прецизионных систем оптического совмещения при сборке, что на практике ограничивает их использование в массовом производстве. Конструкции подобных коллиматоров известны и описаны во многих патентах, например в патентах США №4,687,285; №5,940,564; №6,031,953 и в Европейской патентной публикаций ЕР № 0864892.
Описанная выше проблема еще больше усугубляется в применении к лазерным диодам с широкими эмиттерами, т.е. с эмиттерами, имеющими большую (больше ~10) величину отношения ширины к высоте. Стимулом к использованию широких эмиттеров является желание увеличить выходную мощность без увеличения плотности электрического тока, проходящего через диод. Примером таких лазерных диодов являются недавно появившиеся на рынке устройства, имеющие эмиттер с шириной, превышающей 100 микрон (медленная ось) и с высотой, не превышающей 1,5 микрона (быстрая ось). В некоторых моделях таких лазерных диодов высота эмиттера составляет доли микрона. Выходная мощность этих широкоэмиттерных диодов превышает несколько ватт и может достигать десятков ватт, а структура их излучения вдоль медленной оси имеет сложный многомодовый характер, который ведет к высокой степени расходимости выходного луча.
Известные подходы к решению указанной задачи в отношении широкоэмиттерных лазеров с торцевым излучением не позволяют формировать единый поперечно-модовый луч без существенных потерь мощности и увеличения веса и габаритов лазерного устройства. Поэтому преимущества, присущие широко-эмиттерным оптическим лазерным диодам с торцевым излучением, не используются в полной мере.
В связи с изложенным, задача улучшения оптических характеристик указанных лазерных устройств, таких как состав мод, расходимость лучей в направлении медленной и быстрой осей без заметного уменьшения оптической мощности, и, следовательно, яркости излучения, остается актуальной проблемой лазерной техники.
Новый метод управления оптическими параметрами излучения, такими как направление распространения света, изменение фаз, спектральная дисперсия, и т.п., состоит в использовании планарных оптических волноводов с квазинепрерывным изменением коэффициента преломления света планарного волновода (см. патент США №7929190, выданный Владимиру Янькову 19 апреля 2011 года). Такой подход получил название цифровой планарной голографии - новой технологии, недавно разработанной для изготовления миниатюрных компонентов интегральной оптики. Суть технологии цифровой планарной голографии состоит во встраивании цифровой голограммы, рассчитанной по определенному алгоритму на компьютере, в структуру планарного оптического волновода, так что в волноводе создаются области с измененным показателем преломления, отличным от исходного. Ясно, что свет, распространяющийся в таком волноводе, проходя через эти области, меняет направление, а наличие областей волновода с меняющимися показателями преломления приводит к спектральной дисперсии, а значит, и к изменению фазовой скорости. Если коэффициент преломления света в волноводе пространственно смодулирован правильно, то для каждой длины волны свет может быть направлен в нужную точку и/или в нужные точки с заданным фазовым рассогласованием. Таким образом, имеется возможность управления оптическими параметрами излучения, такими как направление его распространения, изменение фаз, спектральная дисперсия и, как было обнаружено нами, модовый состав источников когерентного излучения.
Цифровая планарная голография допускает распространение света только в плоскости голограммы, но не допускает распространение света в направлении, перпендикулярном плоскости голограммы. Очевидным преимуществом планарной конфигурации является облегченный доступ к поверхности, в которую должна быть встроена голограмма, что существенно упрощает процесс изготовления устройства.
core
core
clad
Как известно, в оптическом волноводе свет ограничен градиентом коэффициента преломления и распространяется в волноводном слое, или сердцевине, находящейся внутри оболочечных слоев, или оболочек. Материалы для волноводного слоя и оболочечных слоев должны выбираться таким образом, чтобы коэффициент преломления волноводного слоя N превышал аналогичный коэффициент в оболочках, то есть должно соблюдаться следующее условие: N>N. В цилиндрическом волноводе, таком как оптическое волокно, световой пучок распространяется вдоль оси волновода (одномерный пучок). Планарные волноводы, которые изготовляются последовательным наложением плоских слоев прозрачного материала с определенным градиентом коэффициента преломления на стандартную подложку, например, из полупроводникового кремния, допускают свободное распространение света в двух ортогональных направлениях в плоскости волноводного слоя. Свет, распространяющийся по волноводному слою планарного волновода, в некоторой степени проникает также в области над и под волноводным слоем, то есть в оболочки. Если коэффициент преломления света в волноводе смодулирован правильно, то для каждой определенной длины волны он может быть направлен в требуемую точку и для этого может быть использована техника цифровой планарной голографии.
Известно несколько способов модулирования коэффициента преломления света, один из которых состоит в формировании требуемого рисунка методами микролитографии. Модулирование достигается встраиванием цифровой голограммы в поверхность волноводного или одного из оболочечных слоев, или в оба этих слоя в зоне контакта между ними. Понятно, что использование для этой цели стандартных процессов литографии обеспечивает условия для массового производства и снижения стоимости изготовления изделий.
Нами ранее было разработано несколько способов пространственного модулирования коэффициента преломления света в плоскости планарного волновода, один из которых состоит в формировании требуемого рисунка методами прямой микро- и нанолитографии. Для этой цели использовался метод прямого нанесения рисунка (прямое рисование) сфокусированным электронным пучком на слой электронного резиста, предварительно нанесенного на поверхность волноводного слоя планарного волновода. Рисование осуществлялось на электронном нанолитографе «VISTEC VB300». Данный нанолитограф оснащен электронной пушкой с термополевым эмиссионным катодом, обеспечивающим высокую плотность тока электронного пучка при ускоряющем напряжении от 50 кэВ до 100 кэВ; быстрое экспонирование с разрешением 20 бит определяется генератором изображения, работающим на частоте 50 МГц. Данный нанолитограф обеспечивает получение структур рисунка с шириной линии, не превышающей 10 нм в поле экспозиции до 1,2 мм (без сшивки полей).
Изображение ЦПГ, полученное в резисте, переносилось в волноводный слой на глубину от 20 до 160 нанометров травлением этого слоя во фтор-нитридной плазме.
Альтернативным способом для изготовления ЦПГ является нанопечать. Каждый рисунок ЦПГ генерируется (формируется) с помощью компьютера и выполняется по вышеупомянутому алгоритму в соответствии с конкретным применением ЦПГ. Затем, рисунок в соответствии с одной из процедур изготовления наноштампа (см., например, http://en.wikipedia.org/wiki/Nanoimprint lithography) переносится на его рабочую поверхность. Перенос рисунка ЦПГ с поверхности наноштампа на поверхность волноводного слоя планарного волновода осуществляется непосредственно штампом в слой резиста, нанесенного на поверхность волноводного слоя, а полученное в резисте изображение протравливается в волноводный слой на глубину от 20 до 160 нанометров обработкой во фтор-нитридной плазме. ЦПГ состоит из многочисленных наноканавок, каждая из которых может иметь ширину порядка от 40 до 100 нм и длину меньше примерно половины длины волны света, топология расположения которых определяется целями голограммы.
6
Вышеупомянутые устройства с рисунком ЦПГ формируются на стандартной подложке, например, из полупроводникового кремния. Несмотря на огромное количество наноканавок (около 10), типовой размер устройства ЦПГ не превышает нескольких квадратных миллиметров.
В целом, ЦПГ, используемая для оптимизации модового состава излучения лазерного диода и увеличения яркости без существенной потери излучаемой мощности, состоит из оптимизированной комбинации наложенных друг на друга рисунков, с каждым из которых взаимодействует только одна длина волны света одной пространственной моды из всего спектра излучения лазерного диода.
Сущность изобретения
Патентуемый способ изготовления лазерного диода с повышенной яркостью излучения состоит в том, что: формируют широко-эмиттерную лазерную среду, способную генерировать многомодовое оптическое излучение, которая имеет активный волноводный излучающий слой, первый конец и второй конец; формируют частично прозрачное зеркало на втором конце широко-эмиттерной лазерной среды; размещают широко-эмиттерную лазерную среду с частично прозрачным зеркалом на подложке с высокой теплопроводностью; способ отличается тем, что с целью увеличения яркости излучения формируют устройство перестройки модовой структуры, основанное на цифровой планарной голограмме, имеющее входной торец, причем указанное устройство образуют путем формирования цифровой планарной голограммы у первого конца широко-эмиттерной лазерной среды в оптическом взамоимодействии с ней, используют цифровую планарную голограмму в качестве непрозрачного зеркала, размещая ее на той же подложке, на которой размещена лазерная среда, в результате чего формируется оптический резонатор; и осуществляют селекцию, перестройку и усиление мод оптического излучения лазерного диода по заданной или данной функции.
Другими словами, вышеупомянутый лазерный диод с повышенной яркостью излучения формируется в основном 1) из лазерной среды и устройства перестройки модовой структуры, основанного на ЦПГ, которое действует как непрозрачное зеркало на первом конце активного эмиттерного слоя и 2) полупрозрачного зеркала на втором конце активной эмиттерной среды, который излучает из лазерного диода свет повышенной яркости.
Для лучшего понимания способа изготовления по настоящему изобретению целесообразно более подробно рассмотреть структуру и принцип работы лазерного устройства с повышенной яркостью излучения, для изготовления которого предназначается данный способ изготовления.
Вышеупомянутый лазерный диод повышенной яркости излучения состоит из лазерной среды, установленной на вспомогательной подложке, выполненной из теплопроводящей керамики, и основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры, которое сформировано на стандартной полупроводниковой кремниевой подложке. Оба эти компонента (лазерная среда и устройство перестройки модовой структуры), в свою очередь, установлены на монтажной плате, выполненной из соответствующего материала с высокой теплопроводностью, такого как, например, керамика с высоким коэффициентом теплопроводности.
Оптически активная лазерная среда (широкоапертурный лазер) излучает многомодовый световой луч. В контексте настоящего изобретения термин «широкоапертурный эмиттер» относится к эмиттеру, который имеет ширину от 10 микрон до нескольких сотен микрон и высоту от 0,2 нм до нескольких микрон.
Активная лазерная среда ограничена с одной стороны зеркалом с коэффициентом частичного отражения 2% R<10%), как правило, R равно приблизительно 4%), а с другой стороны противоотражательным покрытием, имеющим очень низкий коэффициент отражения (R<1%) («открытая сторона»). Оптически активная лазерная среда является волноводным слоем и излучает многомодовый световой луч. В контексте настоящего изобретения термин «широкоапертурный эмиттер» относится к эмиттеру, который имеет ширину от 10 микрон до нескольких сотен микрон и высоту от 0,2 микрон до нескольких микрон (см., например, http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode).
2
2
2
3
4
Устройство перестройки модовой структуры, основанное на ЦПГ и установленное на полупроводниковой кремниевой пластине, состоит из (1) по меньшей мере одного нижнего оболочечного слоя из диоксида кремния (SiO), имеющего толщину от нескольких до нескольких десятков микрон, и (2) волноводного слоя, уложенного на нижний оболочечный слой, выполненный из диоксида кремния и легированный таким материалом, как германий, который увеличивает коэффициент преломления волноводного слоя и имеет толщину от нескольких десятков нанометров до, примерно, одного микрона. Оболочечный слой и волноводный слой имеют разные коэффициенты преломления света, которые отличаются на величину от 1% до 5%. Другими словами, коэффициент преломления света в волноводном слое больше чем в оболочечном. Отметим, что в качестве материала волноводного слоя может быть использован слой SiON, SiO:GeO, SiN и другие, которые возможно нанести на нижний оболочечный слой. Если необходимо, на волноводный слой может быть дополнительно уложена верхняя оболочка.
Волноводный слой устройства включает в себя ЦПГ, которая представляет собой множество голографических элементов, изготовляемых в виде канавок с глубиной, не превышающий толщину волноводного слоя. Желательно, чтобы голографические элементы выполнялись с помощью бинарной нанолитографии в форме однотипных канавок, представляющих собой одинаковые прямоугольные параллелепипеды.
6
Как отмечалось ранее, число голографических элементов может достигать 10 или более. Общая площадь, занимаемая этими элементами на поверхности волноводного слоя, составляет несколько квадратных миллиметров. Голографические элементы локально изменяют коэффициенты преломления света в волноводном слое. Понятно, что если размеры элементов не превышают половину длины волны света, такой параметр, как плотность элементов на поверхности волноводного слоя, может быть использован для управления распространением светового луча. Это означает, что после прохождения через ЦПГ и после пространственного перераспределения в ЦПГ свет, излучаемый лазерной средой, преобразуется в световой луч с желаемыми параметрами, которые определяются структурой и топологией рисунка ЦПГ.
Способ формирования и принцип построения алгоритма расчета топологии ЦПГ описан в патенте США №7872788, выданном Владимиру Янькову 18 января 2011 года на способ цифровой обработки оптических волн в интегрированном планарном оптическом устройстве, которое работает по принципу цифровой планарной голографии, а также в патенте США №7929190, выданном Владимиру Янькову 19 апреля 2011 года на интегрированное планарное оптическое устройство, основанное на цифровой планарной голографии.
Цифровые планарные голограммы, которые потенциально могут быть использованы для управления направлением и преобразованием световых пучков, распространяющихся в планарных волноводных средах, значительно различаются топологией их рисунков, которая предопределяется функцией ЦПГ. В настоящем изобретении, топология рисунка ЦПГ задается функцией желаемого распределения мод излучателя, которая определяет перестройку распределения мод в пространстве, выбора и усиления одной или нескольких выбранных мод.
Лазерная среда и устройство перестройки модовой структуры могут оба быть установлены на общей плате, выполненной, например, из кремния, двуокиси кремния, или кварца. Для стабилизации температуры в лазерной среде высокой мощности, общая плата может быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью и может быть снабжена термоэлектрическим охлаждающим устройством.
Широко-эмиттерная лазерная среда с активным эмиттерным слоем и основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры копланарны по отношению к друг к другу и смонтированы на общей плате.
Зазор между открытым концом лазерной среды и торцем волновода со структурой ЦПГ по порядку величины близок к длине волны излучаемого света. Понятно, что в описанной выше конструкции устройство перестройки модовой структуры, основанное на ЦПГ, играет роль специфического непрозрачного зеркала с квазинепрерывными параметрами, распределенными в плоскости волновода в соответствии с вышеупомянутой заданной функцией, используемой для выбора, перестройки и усиления мод.
В известной широко-аппертурной лазерной среде, которая снабжена обычным непрозрачным зеркалом и не имеет вышеупомянутого устройства перестройки модовой структуры на основе ЦПГ, выходной луч имеет многомодовую структуру, которая состоит из нескольких десятков или даже сотен различных поперечных боковых мод различной интенсивности.
Ситуация существенно меняется, если лазерная среда оптически сопряжена с конкретным устройством перестройки модовой структуры на основе ЦПГ, выполненным в соответствии с настоящим изобретением. Это происходит потому, что устройство перестройки модовой структуры уменьшает число мод до трех, двух или одной. В результате формируется мощная мода (моды) низкого порядка, и основная часть выходной мощности лазера сосредотачивается в этой моде (модах) низкого порядка, в то время как остальная значительно меньшая часть лазерной мощности удерживается оставшимися боковыми модами, общее число которых уменьшается в несколько раз: до трех, двух или одной. Угловая расходимость в направлении медленной оси в результате описанной процедуры уменьшается, например, от 20° to 2°.
Краткое описание рисунков
Рис.1А - блок-схема известной оптической системы с многомодовой лазерной средой и с коллимирующей оптикой.
Рис.1Б - блок-схема системы перестройки модовой структуры, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, в котором устройство перестройки модовой структуры на основе ЦПГ функционирует в качестве зеркала с полным отражением и расположено на оптически закрытом конце резонатора.
Рис.2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д, 2Е и 2Ж - упрощенные виды в плане на устройство для перестройки модовой структуры по настоящему изобретению, которые иллюстрируют взаимодействие выбранных мод лазерного излучения с помощью соответствующих «рисунков» устройства для перестройки модовой структуры на основе ЦПГ, где Рис.2Ж показывает суммарный рисунок ЦПГ, полученный наложением рисунков ЦПГ, показанных на Рис.2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д и 2Е.
Рис.3 - вертикальный разрез лазерного диода по настоящему изобретению, в котором устройство для перестройки модовой структуры на основе ЦПГ используется в качестве зеркала полного отражения.
Рис.4А - фотография с 20-кратным увеличением, на которой показан окончательный рисунок элементов устройства для перестройки модовой структуры на основе ЦПГ, показанного на Рис.2Ж.
Рис.4Б - тот же рисунок, что и на Рис.4А, но полученный с 200-кратным увеличением.
Рис.4В - фотография элементов рисунка ЦПГ, показанных на Рис.4А и 4Б, но снятых с помощью электронного микроскопа (масштаб показан в нижней части рисунка).
Рис.5 - вид в плане на лазерный диод повышенной яркости, выполненный в соответствии с изобретением, в котором устройство перестройки модовой структуры на основе ЦПГ используется как зеркало с полным отражением.
Рис.6 - график, иллюстрирующий угловую зависимость распределения интенсивности света в дальнем поле для известной системы, показанной на Рис.1А.
Рис.7 - график, иллюстрирующий угловую зависимость распределения интенсивности света в дальнем поле для системы (Рис.1Б, 3 и 5), которая в соответствии с изобретением оснащена устройством перестройки модовой структуры.
Подробное описание изобретения
Ниже дано определение терминологии, используемой в настоящем описании. Термин «лазерная среда», используемый в контексте описания настоящей заявки, относится к той части светоизлучающего устройства лазерного типа, такого как лазерный диод, которая формирует упомянутое устройство в комбинации с соответствующим зеркалом частичного отражения. Далее, хотя модовые структуры рассматриваются в описании обобщенно, все описанные ниже модификации относятся к поперечным модам. Модовые структуры лазерных диодов в значительной степени зависят от геометрии оптического резонатора. Так, например, в вертикальном направлении распространение света ограничено очень тонким слоем, толщина которого меньше длины волны, и поэтому в направлении, перпендикулярном к этому слою, конструкция генерирует только одну оптическую моду. Однако, конструкции, имеющие волноводы, которые в поперечном направлении значительно более широкие по сравнению с длиной волны света, допускают в этом направлении множество оптических мод. В последнем случае, такой лазер называют «многомодовым».
Для лучшего понимания способа, предложенного настоящим изобретением, сначала подробно рассмотрим оптическую систему лазерного устройства, пригодного для реализации настоящего изобретения, и его отличия от системы обыкновенного лазерного диода.
Рис.1А иллюстрирует блок-схему обычной оптической системы 20a, содержащей многомодовый широко-аппертурный лазерный диод 22a с коллимирующей оптикой 24a. Многомодовый широко-аппертурный лазерный диод 22a представляет собой активную лазерную среду 26a и расположен между выходным зеркалом частичного отражения 30a и зеркалом полного отражения 28a. В конструкции многомодового лазерного диода 22a зеркала 28a и 30a образуют оптический резонатор 32a. Позиция 25a обозначает эмиттер лазерного диода 22a, расположенный на выходной стороне зеркала с частичным отражением 30a. Все эти компоненты установлены на вспомогательной подложке 31. В резонаторе 32a свет, выпущенный из активной лазерной среды 26a, многократно отражается между зеркалами 28a и 30a, усиливая стимулируемую эмиссию. Луч B, который выходит из лазерного диода, коллимируется оптикой 24a, в результате чего образуется коллимированный выходной луч B1 (см. Рис.1А).
Описанная выше и показанная на Рис.1А система 20a хорошо известна и используется в лазерной технике. Заявитель обнаружил, что в дополнение к функции отражения света одно или оба зеркала 28a и 30a могут придать системе также функцию устройства для перестройки модовой структуры. Эта новая функция обеспечивает пересопряжение всех мод лучей лазерной среды 26a для стабилизации длины волны, для синхронизации фаз и перестройки модовой структуры подавлением мод высокого порядка, и для усиления мод низшего порядка с низкой расходимостью и даже одной моды с наименьшей расходимостью, в результате чего яркость выходного луча B увеличивается.
Далее, в соответствии с изобретением компоненты системы, используемые для достижения указанной функции перестройки модовой структуры и других функций, могут быть выполнены в форме оптических компонентов цифровых планарных голограмм, генерируемых компьютером и встроенных в планарные волноводы известными методами массового производства, такими как бинарная нанолитография или нанопечать. В результате может быть получена система перестройки модовой структуры 120a, типа показанной на Рис.1Б. В контексте настоящего изобретения термин «система перестройки модовой структуры» охватывает сборное устройство, состоящее из оптически-активной лазерной среды, планарного волновода, который содержит устройство перестройки модовой структуры, основанное на ЦПГ, и, по меньшей мере, одного зеркала полного отражения.
В системе перестройки модовой структуры 120a те компоненты оптических лучей с перестроенными модами, которые соответствуют показанным на Рис.1А, будут в дальнейшем обозначаться теми же цифровыми обозначениями, но с прибавлением цифры 100. Например, система 120a состоит из лазерной среды 126a и выходного оптического устройства 124a, которое управляет лучом B2, выходящим из лазерной среды 126a, и производит выходной луч B (Рис.1Б), выходящий из выходного конца 127a системы. В отличие от известной системы, показанной на Рис.1А, система 120a включает в себя устройство перестройки модовой структуры 130a, выполненное с применением ЦПГ.
Для сужения спектра излучения, синхронизации фаз поперечных мод и для подавления боковых мод при одновременном усилении мод или моды низшего порядка, лазерная среда 126a оптически сопряжена с новой оптической компонентой, а именно с базирующимся на ЦПГ устройством перестройки модовой структуры 130a, которое выполняет указанную новую функцию перестройки модовой структуры и усиления мод. Другими словами, после интеграции на общей опорной плате 120a активная лазерная среда 126a и основанное на ЦПГ устройство перестройки мод 130a образуют единый оптический чип. Оптическое сопряжение и взаимодействие между лазерной средой 126a и основанным на ЦПГ устройством перестройки мод 130a осуществляется известным способом оптического торцевого сопряжения между двумя планарными волноводными оптическими средами.
Система 120a включает в себя также зеркало частичного отражения 128a. Лазерная среда 126a, основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 130a и зеркало с частичным отражением 128a образуют оптический резонатор 132a. В оптическом резонаторе 132a свет, полученный из активной лазерной среды 126a, многократно отражается между основанным на ЦПГ устройством перестройки модовой структуры 130a и зеркалом с частичным отражением 128a, что приводит к усилению эмиссии. Таким образом, в дополнение к основной функции выбора мод основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 130a также выполняет функцию зеркала с полным отражением света. Вышеупомянутое усиление эмиссии излучения достигается также за счет подавления боковых мод и усиления мод или моды низкого порядка. В результате выходное излучение приобретает когерентность и повышенную яркость за счет уменьшения пространственной расходимости лучей.
В системе 120 базирующееся на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 130a имеет сложную иерархическую топологию, которая в приближении может рассматриваться как рисунок, образованный стандартными бинарными наноэлементами (например, полученными плазменным травлением прямоугольными канавками), образованными в волноводном слое планарного волновода для модулирования в нем эффективных коэффициентов преломления света. Каждый бинарный наноэлемент определяется тремя размерами: шириной, длиной и глубиной. Ширина этих наноэлементов не превышает нескольких десятков нанометров, длина меньше длины волны лазерного света, взаимодействующего с указанными канавками, а глубина меньше толщины волноводного слоя планарного волновода.
Поскольку лазерный луч ограничен внутри планарного волновода, он вынужден распространяться через структуру ЦПГ, оптически взаимодействовать с ней и отражаться в обратном направлении. Это приводит к перестройке модовой структуры, что ведет к подавлению мод высокого порядка и, следовательно, к увеличению яркости света, излучаемого системой. Происходит это по следующей причине. ЦПГ представляет собой бинарную систему с главным членом k Фурье разложения, который близок к удвоенному волновому вектору лазерного света. Разложение в ряд Фурье любой бинарной структуры содержит моды высшего порядка, однако наиболее важное значение имеют те Фурье-сателлиты, которые близки к главной компоненте. Наличие в рисунке ЦПГ элементов, ответственных за появление таких сателлитов, обеспечивает возбуждение отраженной волны, представляющее собой первую поперечную моду или любое другое желаемое распределение. В первом приближении бинарные линии расположены на воображаемых следах интерференционных колец, которые создаются нежелательным многомодовым светом, излучаемым из лазера. Этот свет содержит первую расходящуюся поперечную моду и множество сходящихся мод. Все эти моды имеют одинаковую фазу на торце лазерной среды. Понятно, что поскольку голограмма образована миллионами элементов, эти элементы могут комбинироваться и группироваться в многочисленные специфические рисунки.
5
6
В соответствии с изобретением каждое основанное на ЦПГ устройство перестройки мод формируется в виде комбинации множества голографических элементов, т.е. наноканавок, встроенных в планарный волновод для периодической модуляции его коэффициентов преломлении света. Модулирующая функция рассчитывается на основе набора оптико-передаточных функций, выбираемых для указанного устройства перестройки модовой структуры и реализуемых методами, приемлемыми для массового производства, такими как нанолитография или нанопечать. Многочисленные наноэлементы (например, в количестве от 10 до 10) могут быть объединены в сложную суперпозицию рисунков, каждый из которых ответственен за определенную оптическую передаточную функцию.
Каждый рисунок представляет собой группу элементов ЦПГ, подобранных специальным образом для выполнения определенной функции основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры. Все рисунки наложены на ту же самую планарную поверхность, формируя конечный «узор», рисунок голограммы, необходимый для выполнения желаемых функций.
Каждый конечный рисунок (узор) генерируется как математическое наложение эллиптических, параболических или гиперболических рисунков, соответствующих желаемому перестроению мод, с пространственным приблизительно полуволновым периодом. А именно, сначала создается двухразмерная аналоговая генерирующая функция A(х,у), представляющая собой наложение профилей модулирования коэффициента преломления света. Каждая модулирующая функция соответствует эквиваленту рисунка. На этом этапе определяется двухразмерная функция A(х,у), которая напоминает профиль коэффициента преломления в планарном волноводе, соответствующем желаемым оптико-передающим функциям. Следующий этап - бинаризация двухразмерной аналоговой генерирующей функции A(х,у), которая была получена на предыдущем этапе. Бинаризация достигается введением пороговой величины и предписанием значения 1 всем участкам, превышающим определенный порог, и значения 0 всем остальным участкам. Это делается для получения цифровой двухразмерной генерирующей функции B(х,у). На следующем этапе островки сложной формы в функции B(х,у) со значениями 1 упрощаются для представления в виде комбинации стандартных микролитографических или нанолитографических элементов (коротких и прямолинейных канавок). Эта операция сопровождается преобразованием в функцию C(х,у). Последний этап - это литографическое изготовление стандартных наноэлементов методами микро/нанолитографии или нанопечати с использованием функции C(х,у) для расчета необходимой глубины канавок в планарном волноводе.
На Рис.2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д, 2Е и 2Ж, представляющих собой виды в плане, показаны упрощенные схемы устройства перестройки модовой структуры. Рисунки показывают взаимодействие выбранных мод лазерного излучения с помощью соответствующих голографических рисунков основанных на ЦПГ устройств перестройки модовой структуры, где Рис.2Ж соответствует конечному «узору», полученному наложением «узоров», соответствующим Рис.2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д и 2Е.
Более конкретно, каждый голографический рисунок, представленный на Рис.2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д и 2Е, иллюстрирует взаимодействие выбранных мод лазерного излучения с соответствующими топографическими узорами, которые в реальности комбинируются в единый конечный голографический рисунок, показанный на Рис.2Ж. Другими словами, на каждом указанном рисунке система в целом обозначается позицией 220a и состоит из многомодового лазера 220 и соответствующих голографических узоров, выбранных из рисунков от 222a до 222f.
Лазерная среда многомодового лазера 220 излучает многомодовый луч 221, который имеет сложную структуру, состоящую из нескольких мод. Выходной луч может быть представлен как комбинация составляющих лучей, излучаемых узкими активными зонами, из которых сформирована лазерная среда. Ширина этих зон выбирается таким образом, чтобы составляющий луч из каждой зоны был одномодовым.
Составляющие компоненты 220a и 220b многомодового луча 221 распространяются до конечного топографического рисунка и отражаются от рисунка 222a в планарный волновод, в результате чего происходит оптическое взаимодействие (сопряжение) соответствующих участков или компонентных объемов 1a и 2a активной среды (Рис.2А). В результате этого компонентные объемы излучают одномодовые лучи, которые без указанного выше оптического сопряжения не были бы одномодовыми, поскольку именно оптическое взаимодействие, обеспечиваемое голограммой, заставляет лазер излучать в одинаковой моде. В идеальном случае выходной луч должен иметь те же самые параметры, что и луч, излучаемый из одномодовой зоны, однако его мощность будет удвоена. В результате этого яркость комбинированного оптическим взаимодействием луча будет также увеличена вдвое. В реальности коэффициент увеличения не будет равен двум, но будет иметь близкую к двум величину, поскольку потери будут сведены до минимума за счет использования волновода высокой прозрачности и торцевого соединения оптических компонентов, которое характеризуется низкими потерями.
Как известно, одномодовый лазерный резонатор должен удовлетворять следующему условию:
,
a
где  - апертура лазера, λ* - длина волны излучения (внутри резонатора) и L - длина резонатора.
Размер одномодовой зоны в широкоапертурном лазерном диоде может быть рассчитан по формуле (1).
Общее число одномодовых зон N может быть подсчитано следующим образом:
где А - ширина широко-аппертурной активной среды и где соблюдается следующее условие:
а
При типичных значениях параметров  и А число одномодовых компонентных зон колеблется в пределах от N~3÷30, где параметр N определяет число рисунков, налагаемых друг на друга для получения конечного голографического узора.
Рассмотрим, например, воображаемый лазер, который излучает трех-модовый пучок, в котором каждая мода является независимой компонентой. Рисунки 2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д и 2Е иллюстрируют работу системы, которая содержит структуру, состоящую из шести топографических узоров 222А, 222Б, 222В, 222Г, 222Д и 222Е, соответственно. На Рис.2А компонентный луч 220a соответствует зоне 1a, а компонентный луч 220b соответствует зоне 2a. Для упрощения рисунков 2Б, 2В, 2Г, 2Д и 2Е компонентные лучи на этих рисунках не обозначены, однако сведены в представленную ниже Таблицу 1, в которой показаны оптические взаимодействия лучей в резонаторе (на Рис.2 резонатор не показан).
Таблица 1
Компонентные лучи, оптически взаимодействующие посредством голографических рисунков
Голографические рисунки
Взаимодействующие компонентные лучи
Рисунок 222а
220a и 220b
222b
220a и 220c
222c
220b и 220c
222d
220a с самим собой
222e
220b с самим собой
222f
220c с самим собой
Все голографические рисунки накладываются на одну и ту же планарную поверхность, формируя конечный суммарный рисунок, где каждый голографический элемент работает на обеспечение наилучшего синергизма всех востребованных функций. В целом, для структуры, показанной на Рис.2Ж с конечным рисунком 222N и с числом N одномодовых зон, генерирующих одномодовые компонентные лучи 220а', 200b', and 220c' до 220N', необходимое число голографических рисунков может быть подсчитано следующим образом:
- компонентный луч 220a' должен быть сопряжен с числом N мод, включая самовзаимодействие;
- компонентный луч 220b' должен быть сопряжен с числом N-1 мод, поскольку он уже взаимодействовал с модой луча 220a';
- компонентный луч 220c' должен быть сопряжен с числом N-2 мод, поскольку он уже взаимодействовал с модами лучей 220a', 220b', и т.д.;
- наконец, компонентный луч 220N' должен быть сопряжен с самим собой, поскольку он уже взаимодействовал с модами всех остальных лучей.
Поэтому общее число рисунков m является суммой следующей арифметической прогрессии:
то есть
Как упоминалось выше, основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры может быть использовано как зеркало с полным отражением или как зеркало с частичным отражением. Такая модификация может быть получена изменением длины устройства перестройки модовой структуры, при этом короткие конечные рисунки отражают луч только частично, и коэффициент отражения растет с увеличением длины структуры, а после насыщения больше не увеличивается и не зависит от увеличения длины, то есть формирует компонент полного отражения.
Как следует из представленной выше формулы (5), с увеличением размера апертуры лазера число голографических рисунков растет в арифметической прогрессии.
Рис.3 показывает светоизлучающее устройство настоящего изобретения в сечении. На этом рисунке устройство в целом обозначено позицией 400. Вид в плане на устройство Рис.3 показано на Рис.5. Устройство 400 состоит из лазерной среды 402, установленной на вспомогательной подложке 404, которая выполнена, например, из кремния, и из специального основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры 406, которое сформировано на кремниевой подложке 408 и соответствует конкретному применению устройства. Оба компонента 402 и 406 установлены на монтажной плате 410, которая также может быть сделана из соответствующего материала высокой теплопроводности, такой как керамика.
Как будет показано ниже, в сочетании с зеркалами лазерная среда 402 излучает многомодовый луч и имеет относительно широкий эмиттер 412 с шириной в диапазоне от 10 до нескольких сот микрон. Высота эмиттера может быть от примерно 0,2 нм до единиц микрона. Активная лазерная среда 402 (Рис.3) ограничена с одной стороны зеркалом 416 частичного отражения, а с другой стороны концом 424 с покрытием 418, которое имеет низкий коэффициент отражения (R<0.1%).
2
Основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406, которое сформировано на кремниевой подложке 408, состоит из (1) нижней оболочки 420 (например, из SiO), имеющей толщину от нескольких до нескольких десятков микрон и (2) волноводного слоя 422, уложенного на нижнюю оболочку, выполненную из диоксида кремния, допированного таким материалом, как германий, который увеличивает коэффициент преломления волноводного слоя на величину от 1 до 5%. Волноводный слой имеет толщину от нескольких десятков нанометров до одного микрона и коэффициент преломления, больший, чем оболочечный слой (Рис.3). Если необходимо, на волноводный слой 422 может быть дополнительно уложена верхняя оболочка с коэффициентом преломления, меньшим, чем у волноводного слоя.
Основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406 (Рис, 3) сформировано как зеркало полного отражения, в то время как зеркало 416 с частичным отражением функционирует как эмиттер лазерной среды 402. Покрытие с низким коэффициентом отражения 418 помещено между основанным на ЦПГ устройством перестройки модовой структуры 406 и лазерной средой 402. Лазерная среда 402, устройство перестройки модовой структуры 406 и зеркало с частичным отражением 416 образуют резонатор.
Позиция 426 обозначает среду высокой прозрачности (оптический клей или гель), которая заполняет пространство между покрытием с низким коэффициентом отражения 418 и входным/выходным концом ЦПГ 423. Прозрачная среда (оптический клей или гель) 426 имеет коэффициент преломления света близкий к коэффициенту преломления света в волноводном слое 422. Соединение между входным/выходным концом ЦПГ 423 и концом 424 лазерной среды осуществляется известным способом оптического торцевого соединения между двумя оптическими планарными волноводами.
Сердцевина 422 основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры 406 содержит множество голографических элементов в форме канавок 428, имеющих глубину, не превышающую толщину волноводного слоя. Желательно, чтобы элементы были выполнены в форме прямоугольных канавок, представляющих собой бинарные наноэлементы, пригодные для формирования методами нанолитографии или нанопечати.
6
Как упоминалось выше, число элементов может превышать 10. Общая площадь, занимаемая этими элементами на поверхности волноводного слоя, составляет несколько квадратных миллиметров. Рис.4А, 4Б и 4В - фотографии голографических элементов, полученные с поверхности основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры, используемого в качестве зеркала с полным отражением света. Рис 4А - фотография, полученная с 20-кратным увеличением на оптическом микроскопе. Рис.4Б - фотография того же рисунка голографических элементов или канавок 428, полученная с 200-кратным увеличением, а Рис.4В - фотография тех же элементов 428, полученная с помощью электронного микроскопа (масштаб показан в нижней части рисунка).
Из Рис.4А, 4Б, 4В можно видеть, что топология голографических рисунков имеет непериодичный характер, то есть канавки 428 (Рис.3), хотя и равные по ширине, имеют разную длину и неравномерную плотность распределения по площади. Канавки ЦПГ 428 локально изменяют коэффициенты преломления волноводного слоя. Поскольку размеры элементов не превышают длину волны света, излучаемого лазером, плотность элементов на поверхности волноводного слоя может быть использована для контроля плотности оптического луча. Это означает, что световые лучи B1, B2 и B3 (Рис. 5), которые поступают в основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406 из лазерной среды и обрабатываются в этом устройстве, преобразуются в луч B', имеющий требуемые параметры, которые определяются конкретным назначением устройства 400 в целом.
При работе устройства 400, свет, выходящий из лазерной среды 402, многократно отражается в резонаторе между зеркалом частичного отражения 416 лазерной среды 402 и основанным на ЦПГ устройством перестройки модовой структуры 406, функцию усиления мод или моды низкого порядка, подавляя боковые моды и тем самым усиливая яркость луча B', выходящего из системы.
Как отмечалось выше, лазерная среда 402 и основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406, оба смонтированы на общей плате 410, сделанной, например, из кремния, двуокиси кремния или кварца. Для стабилизации температуры в лазерной среде высокой мощности общая плата 410 может быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью и оснащена устройством охлаждения.
Лазерная среда 402 и основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406 копланарны по отношению друг к другу таким образом, что оптическая ось X-X лазерной среды (т.е. активного излучающего слоя резонатора) соосна с оптической осью волноводного слоя и с соответствующей осью ЦПГ, т.е. с осью симметрии X1-X1 (Рис.5).
Оптические лучи B1, B2 и B3 поступают в основанное на ЦПГ устройство перестройки модовой структуры 406 из лазерной среды через оптический клей или гель 426, имеющий коэффициент преломления света близкий к аналогичному коэффициенту волноводного слоя 422.
В известной лазерной среде, которая имеет вышеописанную геометрию и снабжена зеркалом с частичным отражением (<10%) и с зеркалом полного отражения вместо предлагаемого устройства перестройки модовой структуры 406, выходной луч B (Рис.1А) имеет многомодовую структуру, которая состоит из нескольких десятков или даже сотен различных поперечных боковых мод различной интенсивности.
Некоторые из этих мод, например от нескольких до нескольких десятков, будут иметь приблизительно одинаковую интенсивность. В дальней зоне лучи B, излучаемые лазером, таким как показанный на Рис.1А лазерный диод 22a, будут иметь значительную расходимость в направлении медленной оси, которая может достигать десятков градусов.
Ситуация существенно меняется, если лазерная среда оптически сопряжена с конкретным устройством перестройки модовой структуры на основе ЦПГ 130a, выполненным в соответствии с настоящим изобретением. Это происходит потому, что устройство перестройки модовой структуры 130a уменьшает число мод до трех, двух или одной. Это показано на Рис.6 и 7, которые иллюстрируют угловую зависимость интенсивности излучения в дальней зоне, при этом Рис.6 соответствует системе, показанной на Рис.1А, а Рис.7 соответствует системе, показанной на Рис.1Б, Рис.3 и Рис.5 для той же самой лазерной среды, которая показана на Рис.1А, но в комбинации с устройством перестройки модовой структуры на основе ЦПГ 130a.
Широко-аппертурный лазерный диод, изготовленный по методу настоящего изобретения, был экспериментально испытан, как описано ниже.
Поле излучения широко-аппертурного лазерного диода 22а в дальней зоне показано на Рис.6. Это поле имеет многомодовую структуру с количеством мод от 8 до 10, имеющими расхождение 20° в направлении медленной оси.
С другой стороны, из Рис.7 можно видеть, что оптическое взаимодействие с устройством перестройки модовой структуры 130a (Рис.1Б, 3 и 5) существенно меняет структуру выходного луча, при этом формируется мощная мода низкого порядка, в то время как существенно меньшая часть мощности лазера приходится на две боковые моды.
Поэтому общее число мод уменьшается до трех, а при дальнейшем усовершенствовании структуры перестройки мод может быть уменьшено даже до одной моды. В системе по настоящему изобретению такое перераспределение мод типично для дальней зоны. Угловая расходимость в направлении медленной оси уменьшается в четыре раза, то есть с 20° до 5°.
Таким образом, способ изготовления лазерного диода по настоящему изобретению с улучшенной яркостью излучения состоит из следующих этапов: обеспечивают широко-эмиттерную лазерную среду, которая имеет активный эмиттерный слой с первым концом и вторым концом, устройство перестройки модовой структуры, основанное на ЦПГ, которое состоит из волноводного слоя и по меньшей мере одной оболочки и множества наноэлементов, имеющих глубину, меньшую, чем толщина волноводного слоя и размеры, меньшие, чем половина длины волны света, излучаемого лазерной средой, при этом наноэлементы расположены в соответствии с рисунком, который осуществляет наперед заданную функцию и локально изменяет коэффициент преломления света в волноводном слое;
формируют полупрозрачное зеркало на указанном втором конце широко-эмиттерной лазерной среды; и
формируют резонатор выравниванием положения указанного первого конца широко-эмиттерной лазерной среды с волноводным слоем устройства перестройки модовой структуры, основанного на ЦПГ.
Упомянутый лазерный диод с повышенной яркостью излучения состоит существенно из лазерной среды, основанного на ЦПГ устройства перестройки модовой структуры, которое функционирует в качестве непрозрачного зеркала на первом конце активного излучающего лазера, и полупрозрачного зеркала на втором конце, который излучает из лазера свет повышенной яркости.
Хотя изобретение было показано и описано со ссылками на конкретную конструкцию, очевидно, что этот пример был дан только как иллюстрация, и что допустимы любые изменения и модификации указанной конструкции, если они не выходят за рамки формулы изобретения. Например, система может быть выполнена без зеркал, которые оба будут заменены ЦПГ.