ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
INJECTION LASER

Настоящее изобретение относится к квантовой электронике и квантовым усилителям, а именно к мощным полупроводниковым лазерам с распределенной обратной связью.
-1
Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях научной деятельности и промышленности, например, в качестве источников оптического излучения для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей. Широкое распространение полупроводниковые лазеры получили вследствие достижения высокого значения КПД и выходной оптической мощности. Развитие современных подходов к конструкции мощных полупроводниковых лазеров позволило существенно снизить величину внутренних оптических потерь (менее 1 см) и достичь предельного значения внутреннего квантового выхода (более 99%). Улучшения данных параметров полупроводникового лазера позволило получить рекордные значения выходной оптической мощности, как в непрерывном, так и в импульсном режиме работы. Но при этом увеличение мощности сопровождается значительным увеличением ширины спектра генерации лазера, что ведет к снижению спектральной плотности мощности излучения. Это увеличение ширины спектра генерации лазера обусловлено разогревом лазерной гетероструктуры вследствие протекания через нее электрического тока. Увеличение ширины спектра генерации мощного полупроводникового лазера существенно снижает эффективность оптической накачки твердотельных и волоконных лазеров в силу того, что они обладают спектрально узкой линией поглощения. Для сужения спектра генерации мощного полупроводникового лазера применяют различные конструктивные решения. Их можно разделить на две группы: решения, представленные в интегральном исполнении, и в виде внешних элементов.
В случае внешних элементов (см. - George В. Venus, Armen Sevian, Vadim I. Smirnov, Leonid B. Glebov - "High-brightness narrow-line laser diode source with volume Bragg-grating feedback". - Proc. SPIE 5711, High-Power Diode Laser Technology and Applications III, 166, March 17, 2005) применяют внешний селективный резонатор, имеющий повышенную добротность в узком спектральном диапазоне, который перекрывается с материальным усилением активной области лазерной гетероструктуры. Недостатком данного решения является высокая чувствительность к механическим воздействиям на устройство и необходимость сверхточной юстировки внешнего резонатора. Еще одним негативным аспектом данного решения является высокая себестоимость внешнего резонатора, которая зачастую превышает стоимость самого полупроводникового лазера.
Ввиду вышеперечисленных причин более эффективно использовать полупроводниковые лазеры, селективная обратная связь которых осуществлена в интегральном представлении.
Известен инжекционный лазер (см. US 6107112, МПК H01L 21/00 H01S 5/00, опубликован 22.08.2000), содержащий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, активную, оптический резонатор Фабри-Перо. В одном из слоев лазерной гетероструктуры выполнена решетка из периодически расположенных мезаканавок, имеющих треугольную форму в поперечном сечении и расположенных перпендикулярно оптическому резонатору Фабри-Перо. Мезаканавки заращены следующими слоями гетероструктуры.
Спектр излучения известного инжекционного лазера состоит из двух продольных мод, что негативно сказывается на ширине спектральной линии излучения. Также формирование решетки из мезаканавок внутри гетероструктуры существенно усложняет процесс изготовления инжекционного лазера.
Известен инжекционный лазер (см. патент US 6477194, МПК H01S 3/08, опубликован 05.11.2002), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями и активной областью, содержащей квантовые ямы, и оптический резонатор Фабри-Перо. В одном из слоев гетероструктуры выполнена решетка из периодически расположенных мезаканавок треугольной формы, расположенных перпендикулярно оптическому резонатору Фабри-Перо и зарощенных следующими слоями гетероструктуры.
Известный инжекционный лазер с распределенной обратной связью имеет узкий спектр генерации. Благодаря наличию дополнительных оптических потерь в области решетки лазерная мода, находящаяся на коротковолновом крае запрещенной зоны, имеет меньшие пороговые значения, нежели другие резонаторные моды. К недостаткам известного инжекционного лазера относится необходимость его работы при низких температурах, что существенно ограничивает применение лазера.
Известен инжекционный лазер (см. J. Fricke, Н. Wenzel, F. Bugge, О.Р. Brox, A. Ginolas, W. John, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert. - "High-Power Distributed Feedback Lasers With Surface Gratings". - IEEE Photonics Tech. Lett., vol. 24, №16, 2012), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и выбранный в качестве прототипа. Инжекционный лазер-прототип включает полупроводниковую гетероструктуру, состоящую из волноводного слоя, заключенного между ограничивающими слоями n- и p- типов проводимости, содержащую по крайне мере одну квантово-размерную активную область. В ограничивающем слое p-типа проводимости сформированы мезаканавки, расположенные перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, которые обеспечивают наличие распределенной обратной связи. Глубина мезаканавок равняется толщине ограничивающего слоя p-типа проводимости и составляет 1,35 мкм. Ширина мезаканавки составляет 0,5 мкм. Длина мезаканавки равняется ширине омического контакта и составляет 90 мкм. Мезаканавки в поперечном сечении имеют симметричную V-образную форму (форму равнобедренного треугольника). Мезаканавки расположены эквидистантно вдоль всей длине L оптического резонатора Фабри-Перо с периодом, определяющимся из соотношения:
<mrow><mi>Λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>мкм</mtext></mrow>
;
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mi>Λ</mi><mo>≤</mo><mn>0,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow>
;
где Λ - период расположения мезаканавок, мкм;
m - целое положительное число;
λ - длина волны лазерного излучения, мкм;
n - эффективный показатель преломления волноводного слоя;
L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм.
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mi>Λ</mi><mo>≤</mo><mn>0,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow>
Условие
определяет минимально значение количества мезаканавок для обеспечения эффективной распределенной обратной связи в инжекционном лазере.
Недостатком известного инжекционного лазера-прототипа является наличие двух собственных мод резонатора с распределенной обратной связью с одинаковым пороговым усилением. В результате спектр полупроводникового лазера имеет многомодовый состав и значительно расширяется с увеличением уровня инжекции тока.
Задачей настоящего технического решения является разработка такого инжекционного лазера, который бы имел суженный спектр излучения.
Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер включает полупроводниковую гетероструктуру, содержащую волноводный слой, заключенный между верхним и нижним широкозонными эмиттерами соответственно p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, с активной областью, состоящей по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптический резонатор Фабри-Перо и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. В верхнем эмиттере p-типа проводимости в области омического контакта выполнены мезаканавки длиной, равной или меньшей ширины омического контакта, глубиной, по меньшей мере равной толщине верхнего эмиттера p-типа проводимости, и эквидистантно расположенные с периодом, определяемым из соотношений:
<mrow><mi>Λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>мкм</mtext></mrow>
;
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mi>Λ</mi><mo>≤</mo><mn>0,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mtext>,   мкм</mtext></mrow>
;
где Λ - период расположения мезаканавок, мкм;
m - целое положительное число;
λ - длина волны лазерного излучения, мкм;
n - эффективный показатель преломления волноводного слоя;
L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм.
Новым в настоящем инжекционном лазере является выполнение мезаканавок в поперечном сечении в форме клина, одна из граней которого перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки.
Выбор интервала углов наклона 25-60 градусов одной из граней мезаканавок обусловлен следующим. Теория связанных мод (см. А. Ярив - Введение в оптическую электронику. - Москва, Высшая Школа, 1983; Н. Ghafouri-Shiraz, B.S.K. Lo - Distributed Feedback Laser Diodes: Principles and Physical Modeling. - N.Y., John Wiley & Sons, 1996) описывает поведение распространения электромагнитного излучения в волноводной среде, обладающей периодической модуляцией диэлектрической проницаемости. В данной теории решается стационарное волновое уравнение:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>z</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ε</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>z</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>z</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
;
где E(x,y,z) - распределение электромагнитного поля, В/м;
Δ - оператор Лапласа;
0
-1
k - волновой вектор электромагнитного поля в вакууме, см;
ε(x,y,z) - диэлектрическая проницаемость волноводного слоя.
Диэлектрическая проницаемость волноводного слоя имеет периодичность вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо в соответствии с периодичностью расположения мезаканавок:
0
ε(x,y,z)=ε(x,y)+Δε(x,y,z);
Δε(x,y,z)=Δε(x,y,z+Λ):
0
где ε - фоновая диэлектрическая проницаемость волноводного слоя;
Δε - амплитуда модуляции диэлектрической проницаемости волноводного слоя, вызванная наличием дифракционной решетки;
Λ - период расположения мезаканавок, мкм.
Решение этого волнового уравнения приводит к тому, что распределение электромагнитного поля вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо представляет собой две волны, одна - бегущая в сторону плюс бесконечности, вторая - в сторону минус бесконечности:
f
b
iβz
-iβz
E(z)=E(z)·e+E(z)·e;
где E(z) - распределение электромагнитного поля вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо, В/м;
-1
β - волновой вектор электромагнитного поля в среде, см;
f
E(z) - амплитуда волны бегущей в сторону плюс бесконечности, В/м;
b
E(z) - амплитуда волны бегущей в сторону минус бесконечности, В/м.
f
b
При этом амплитуды бегущих волнах E(z), E(z) являются функциями от координаты и зависят друг от друга, что свидетельствует о том, что волны обмениваются энергией. Амплитуды бегущих волн удовлетворяют системе дифференциальных уравнений:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>E</mi><mi>f</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>i</mi><msub><mi>κ</mi><mi>f</mi></msub><msub><mi>E</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mi>β</mi><mi>o</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>z</mi></mrow></msup></mrow>
,
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>F</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><msub><mi>κ</mi><mi>b</mi></msub><msub><mi>E</mi><mi>f</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mi>β</mi><mi>o</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>z</mi></mrow></msup></mrow>
,
<mrow><mi>β</mi><mn>0</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>π</mi></mrow><mi>Λ</mi></mfrac></mrow>
,
где
-1
β0 - брэгговский волновой вектор, см;
i - мнимая единица;
m - целое положительное число;
f
-1
κ - коэффициент связи волны, бегущей в сторону плюс бесконечности, с волной, бегущей в сторону минус бесконечности, см;
b
-1
κ - коэффициент связи волны бегущей в сторону минус бесконечности, с волной, бегущей в сторону плюс бесконечности, см.
Они определяются соотношениями:
<mrow><msub><mi>κ</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>β</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><mi>V</mi><mi>g</mi></mrow></munder><mrow><msup><mi>Δ</mi><mi>m</mi></msup><msub><mi>ε</mi><mi>f</mi></msub><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mrow><mo>+</mo><mi>∞</mi></mrow></munderover><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>κ</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>β</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><mi>V</mi><mi>g</mi></mrow></munder><mrow><msup><mi>Δ</mi><mi>m</mi></msup><msub><mi>ε</mi><mi>b</mi></msub><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mrow><mo>+</mo><mi>∞</mi></mrow></munderover><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
0
-1
где k - волновой вектор электромагнитного поля в вакууме, см;
-1
β - волновой вектор электромагнитного поля в среде, см;
U(x,y) - распределение электромагнитного поля в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо;
m
f
Δε - m-Фурье компонента модуляции диэлектрической проницаемости Δε для волны, бегущей в сторону плюс бесконечности;
m
b
Δε - m-Фурье компонента модуляции диэлектрической проницаемости Δε для волны, бегущей в сторону минус бесконечности;
2
Vg - области решетки в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо, см.
f
b
Отношение амплитуд E(z), E(z) будет давать коэффициент отражения дифракционной решетки, образованной мезаканавками. Для достижения высокого значения коэффициента отражения дифракционной решетки количество мезакавок должно быть велико, что накладывает условие на величину периода при заданной длине резонатора лазера. Расчеты показывают, что должно выполняться условие:
2
L/Λ≥1,25·10,
где L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;
Λ - период расположения мезаканавок, мкм.
Коэффициент отражения дифракционной решетки представляет собой непрерывную функцию от длины волны. В случае реального инжекционного лазера с конечной длиной оптического резонатора Фабри-Перо и отражающими гранями на его торцах на систему дифференциальных уравнений накладываются граничные условия:
f
1
b
E(z=a)=r·E(z=a);
2
f
b
r·E(z=b)=E(z=b);
где a - координата начала оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;
b - координата конца оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;
1
r - коэффициент отражения торцевой грани резонатора Фабри-Перо, расположенной в плоскости z=a (грань 5 на фиг.1);
2
r - коэффициент отражения торцевой грани резонатора Фабри-Перо, расположенной в плоскости z=b (грань 6 на фиг.1).
При наложении данных граничных условий оптического резонатора Фабри-Перо на систему дифференциальных уравнений мы получим набор дискретных значений пороговых условий генерации лазерного излучения. Каждое дискретное значение характеризуется двумя параметрами (a, δ),
-1
где a - пороговое модальное усиление, см;
δ - сдвиг длины волны генерации излучения, относительно центральной длины волны излучения, определяемой соотношением λ=2·n·Λ/m, мкм.
1
2
f
b
1
2
Из данного анализа следует, что существуют две моды резонатора с распределенной обратной связью, которые расположены на длинах волн Δ=2·n·Λ/m±δ с пороговым модальным усилением a и a. В инжекционном лазере-прототипе k=k, то есть имеет место равный обмен энергиями между волнами, a=a, в результате в инжекционном лазере-прототипе генерируется два равнозначных пика лазерного излучения.
f
b
1
2
1
2
2
2
В настоящем инжекционном лазере, имеющем несимметричную форму поперечного сечения мезаканавок (одна из граней мезаканавки перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки), достигается условие κ≠κ. При выполнении данного условия решением системы также является два дискретных значения, но при этом значения порогового усиления двух мод будут отличаться, то есть a≠a. При такой геометрии величина отражения бегущей волны в волноводе от каждой мезаканавки зависит от направления распространения излучения. В этом случае обмен энергиями между бегущими волнами различен, что объясняет приоритетную работу инжекционного лазера на одной из мод, так как усиление излучения будет происходить только на моде с меньшим пороговым усилением. Для достижения одномодового режима генерации лазера при высоких уровнях инжекции тока необходимо достичь существенного различия для порогового усиления различных мод (a<<a). При высоких значениях плотности тока накачки инжектированные носители могут начать индуцировано излучать через каналы лазерной рекомбинации, обладающие существенно более высокими пороговыми условиями по сравнению с основной модой лазера. Данный эффект будет проявляться тем позднее (при более высоком токе накачке), чем больше разница порогового модального усиления. Для определения оптимального соотношения между пороговыми условиями основной моды лазера и первой не основной моды были проведены эксперименты. В ходе эксперимента были изготовлены образцы полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью с несимметричными мезаканавками. Образцы отличались различным углом наклона наклонной грани мезаканавки к плоскости грани, расположенной перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо. Эксперимент продемонстрировал, что одномодовый режим работы лазера при плотности тока накачки 6 кА/см сохраняется при угле наклона 25-60 градусов, что соответствует согласно расчетам соотношению a2/a1≥1,5. При углах наклона менее 25 градусов и более 60 градусов наблюдается многомодовая лазерная генерации при плотности тока накачки менее 6 кА/см.
Глубина мезаканавки может отличатся от толщины ограничивающего слоя p-типа проводимости. При этом глубина мезаканавки не может превышать расстояния от верхней границы ограничивающего слоя p-типа проводимости до активной области, проникновение мезаканавок в активную область катастрофически ухудшает излучающие свойства полупроводниковой гетероструктукры. Минимальная глубина мезаканавки (менее размера толщины верхнего ограничивающего слоя p-типа проводимости) ограничивается взаимодействием лазерного излучения с областью мезаканавок, которое определяется соотношением:
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><mi>V</mi><mi>g</mi></mrow></munder><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mrow><mo>+</mo><mi>∞</mi></mrow></munderover><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
,
где Г - гамма-фактор оптического ограничения электромагнитного поля в области мезаканавок;
U(x,y) - распределение электромагнитного поля в плоскости перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо;
2
Vg - область решетки в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо, см.
Для достижения эффективной работы инжекционного лазера с распределенной обратной связью должно выполняться условие, что Г≥0,015.
Мезаканавки могут быть выполнены с помощью реактивного ионного травления или химического травления.
3
5
Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов AB.
Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, где
на фиг.1 схематически изображен в аксонометрии настоящий инжекционной лазер;
на фиг.2 показан настоящий инжекционный лазер в разрезе, в верхнем ограничивающем слое которого выполнены мезаканавки в соответствии с изобретением;
на фиг.3 представлены спектры генерации различных полупроводниковых лазеров при непрерывном токе накачки, существенно превышающим порог генерации (кривая 1 - настоящий инжекционный лазер, кривая 2 - инжекционный лазер-прототип, кривая 3 - инжекционный лазер без распределенной обратной связи).
Настоящий инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит волноводный слой 1, заключенный между верхним широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и нижним широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, которые являются одновременно ограничительными слоями, активную область 4 в волноводном слое 1, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптический резонатор Фабри-Перо, образованный естественно сколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область 9 усиления, боковые естественно сколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части 12 инжекционного лазера, мезаканавки 13 расположенные в области омического контакта 7 и перпендикулярные ему. Волноводный слой 1, верхний широкозонный эмиттер 2 p-типа проводимости и нижний широкозонный эмиттер 3 n-типа проводимости, которые являются одновременно ограничительными слоями, активная область 4 в волноводном слое 1, состоящая по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, составляют полупроводниковую гетероструктуру 14. Мезаканавки 13 в поперечном сечении (см. фиг.2) выполнены в форме клина. Одна из граней, например грань 15, перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань 16 наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани 15 мезаканавки 13. Мезаканавки 13 могут иметь длину, равную или меньшую ширины омического контакта 7, а глубину, по меньшей мере равную толщине верхнего широкозонного эмиттера 2 p-типа проводимости. Мезаканавки 13 эквидистантно расположены с периодом Λ, определяемым из соотношений:
<mrow><mi>Λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>мкм</mtext></mrow>
;
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mi>Λ</mi><mo>≤</mo><mn>0,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mtext>,   мкм</mtext></mrow>
3
5
Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов AB.
Настоящий инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый омический контакт 7 инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры 14, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению p-n перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения через естественно сколотую грань 5 (зеркало) с нанесенным просветляющим покрытием выходит лазерное излучение моды оптического резонатора Фабри-Перо с распределенной обратной связью. Мощность выходящего излучения зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру 14 тока.
Излучение, распространяющееся в волноводном слое 1, отражается от мезаканавок 13, при этом интерференционное усиление испытывает только излучение с длинной волны, удовлетворяющей условию λ=2·n·Λ/m+δ или λ=2·n·Λ/m-δ (в зависимости от относительного расположения наклонной грани 16 мезаканавки 13 и грани 15, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо и параллельной торцевой грани 5 с просветляющим покрытием резонатора Фабри-Перо (см. фиг.2). Излучения на остальных длинах волн не усиливаются в полупроводниковой гетероструктуре, что ведет к работе настоящего инжекционного лазера в узком стабильном спектре.
0.3
0.7
0.3
0.7
0.28
0.72
0.3
0.7
0.3
0.7
Пример 1. Были проведены сравнительные испытания инжекционного лазера без распределенной обратной связи, известного инжекционного лазера с распределенной обратной связью, имевшего мезаканавки с поперечным сечением симметричной формы, и настоящего инжекционного лазера с распределенной обратной связью, имевшего мезаканавки с поперечным сечением несимметричной формы. С этой целью был изготовлен известный инжекционный лазер, включающий полупроводниковую гетероструктуру, содержащую волноводный слой GaAs толщиной 0,8 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs p-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 InGaAs толщиной 8.3 нм; оптический резонатор Фабри-Перо длинной 3 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 100 мкм, расположенный в центре между боковыми естественно сколотыми гранями, расстояние между которыми 400 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости. Через полосковый контакт инжекционного лазера в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой гетероструктуры, пропускали непрерывный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. Для инжекционного лазера без распределенной обратной связи спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 3). Известный инжекционный лазер-прототип с распределенной обратной связью отличался от инжекционного лазера без распределенной обратной связи тем, что в слое широкозонного эмиттера AlGaAs p-типа проводимости были сформированы мезаканавки симметричной клиновидной формы, расположенные перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо. Грани мезаканавки были наклонены под углом 21 градусов к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Длина мезаканавки совпадала с шириной омического контакта и равнялась 100 мкм, ширина мезаканавки на поверхности гетероструктуры составляла 1,2 мкм, ширина мезаканавки вблизи границы волноводного и верхнего эмиттерного слоя составляла 0,1 мкм, глубина мезаканавки составляла 1,4 мкм. Расстояние между мезаканавками составляло 20 мкм. Геометрическая форма мезаканавок была симметрична, что обеспечивало одинаковый обмен между волнами, распространяющими в волноводном слое 1. Для известного инжекционного лазера-прототипа спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 2). Настоящий инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера-прототипа тем, что в слое широкозонного эмиттера AlGaAs p-типа проводимости были сформированы мезаканавки, имевшие в поперечном сечении несимметричную клиновидную форму. Одна грань мезаканавки была сформирована перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, другая грань была наклонена под углом 38° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Длина мезаканавки совпадала с шириной омического контакта и равнялась 100 мкм, ширина мезаканавки на поверхности гетероструктуры составляла 1,2 мкм, ширина мезаканавки вблизи границы волноводного и верхнего эмиттерного слоя составляла 0,1 мкм, глубина мезаканавки составляла 1,4 мкм. Расстояние между мезаканавками составляло 20 мкм. Для настоящего инжекционного лазера спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 1). Ширина спектра инжекционного лазера без распределенной обратной связи на полувысоте интенсивности составляла 5 нм. Спектр инжекционного лазера-прототипа с распределенной обратной связью, образованной мезаканавками симметричной формы, обладал двумя пиками генерации. Ширина каждого пика на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм, расстояние между пика составляет порядка 1 нм. Спектр настоящего лазера с распределенной обратной связью, образованной мезаканавками несимметричной формы, обладает одним пиком генерации. Ширина пика на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм. Таким образом, настоящий инжекционный лазер имеет узкий стабильный спектр излучения с одним пиком генерации.
Пример 2. Был изготовлен настоящий инжекционный лазер, отличающийся от инжекционного лазера, описанного в примере 1, тем, что проводимости были сформированы мезаканавки, у которых одна грань располагалась перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, а другая грань была наклонена под углом 25° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Спектр лазера, представленного в примере 2, содержал 1 пик генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение. Ширина пика генерации на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм.
Пример 3. Был изготовлен настоящий инжекционный лазер, отличающийся от инжекционного лазера, описанного в примере 1, тем, что проводимости были сформированы мезаканавки, у которых одна грань располагалась перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, а другая грань была наклонена под углом 60° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Спектр лазера, представленного в примере 3, содержал 1 пик генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение. Ширина пика генерации на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм.