ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМ СПЕКТРОМ ГЕНЕРАЦИИ

Настоящая полезная модель относится к квантовой электронной технике, а точнее, к инжекционным лазерам.
Управление спектром генерации лазера, то есть возможность изменить длину волны излучения и ширину спектра излучения лазера, является востребованной для различных практических задач, включая телекоммуникацию, газоанализ, фотонные интегральные схемы, различные научные и медицинские применения. При этом для задач фотонных интегральных схем чрезвычайно важно иметь возможность управлять спектром лазерного излучения посредством оптического, а не электрического сигнала, реализуя полностью фотонную систему обработки информации.
На сегодняшний момент задача управления спектром излучения инжекционных лазеров решается устройствами двух типов: устройствами с внешней обратной связью, и устройствами с интегрально изготовленными волноводами и оптическими спектрально селектирующими фильтрами, например, брэгговскими отражателями или кольцевыми микрорезонаторами. Устройства первого типа позволяют изменять длину волны и ширину линии лазерного излучения в широких пределах, в том числе в процессе работы лазера, однако конструкция внешнего резонатора не может быть выполнена интегрально, что сильно увеличивает размеры и сложность изготовления и настройки устройства. Быстродействие таких приборов ограничено скоростью механической настройки внешнего резонатора.
Устройства второго типа отличаются компактностью, возможностью интегрального исполнения и высоким быстродействием, однако они рассчитаны под заранее заданные параметры спектра генерации и не имеют возможности для его переключения. Их изготовление требует также применения ряда дорогостоящих технологий, например, субмикронной литографии. В силу технологических несовершенств брэгговские отражатели и микрорезонаторы приводят к потерям оптической мощности, что значительно снижает мощностные характеристики устройства в целом.
Также существуют различные устройства, способные модулировать лазерное излучение, например, модулятор в виде интерферометра Маха-Цендера, которые предусматривают возможность быстрого переключения лазерного излучения, в том числе с помощью внешнего оптического сигнала, однако они не рассчитаны на изменение длины волны излучения.
Известен инжекционный лазер, в который добавлена секция распределенного брэгговского отражателя (см. патент US7286588, МПК H01S 003/08, H01S 003/13, опубликован 23.10.2007), которая обеспечивает эффективную обратную связь в узком диапазоне длин волн и за счет этого -сужение спектра оптического излучения и его стабилизацию на нужной длине волны.
Недостатком известного инжекционного лазера является отсутствие возможности переключать длину волны оптического излучения, а также сложность изготовления брэгговского отражателя. Еще одним важным недостатком этого решения являются потери оптической мощности на брэгговском отражателе, которые снижают эффективность устройства.
Известен инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации (см. заявка WO2014163449, МПК H01S 003/10, H01S 005/00, опубликована 09.10.2014), включающий внешний резонатор, спектрально селектирующие элементы которого обеспечивают эффективную обратную связь в узком диапазоне длин волн и изменение этого диапазона за счет их механического перемещения.
Недостатками известного технического решения является невозможность изготовления интегрального устройства в одном полупроводниковом кристалле, необходимость тщательной настройки элементов внешнего резонатора, малое быстродействие, а также отсутствие возможности управлять спектром посредством внешних оптических сигналов.
Известен инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации (см. заявку ЕР 0559192, МПК G02B-006/12 G02B-006/124 H01S-005/00 H01S-005/042 H01S-005/0625 H01S-005/12, опубликована 08.09.1993), который позволяет настраивать длину волны излучения за счет изменения электрического напряжения, приложенного к секциям брэгговских отражателей.
Недостатком известного инжекционного лазера является узкий диапазон перестройки длин волн, сложность изготовления двух брэгговских отражателей с электрическими контактами, а также отсутствие возможности управлять спектром посредством внешних оптических сигналов. Кроме того, возникающие на двух отражателях оптические потери сильно снижают эффективность лазера.
Известен инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации (см. патент RU 2540233, МПК H01S 5/00, опубликован 10.02.2013), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Инжекционный лазер-прототип включает подложку, на одной стороне которой сформирован сплошной омический контакт, а на другой стороне подложки выращена полупроводниковая гетероструктура, содержащая два оптически связанные Фабри-Перо резонатора, ограниченными тремя зеркалами, средним из которых является брэгговский отражатель. Гетероструктура содержит последовательно нанесенные на подложку слой эмиттера n-типа проводимости, первый волноводный слой, активную область, содержащую по меньшей мере один квантово-размерный активный слой в виде квантовой ямы, второй волноводный слой, слой эмиттера р-типа проводимости, на внешний поверхности которого нанесены первый и второй омические контакты, разделенные диэлектрической областью и образующие секцию накачки и секцию управления лазера. Изменение тока через одну из секций устройства вызывает переключение лазерной генерации между двумя устойчивыми Фабри-Перо модами оптических Фабри-Перо резонаторов.
К недостаткам лазера-прототипа относится технологическая сложность изготовления брэгговских отражателей, а также падение эффективности и оптической мощности полупроводникового лазера вследствие рассеяния излучения на брэгговских отражателях, а также отсутствие возможности управлять спектром посредством внешних оптических сигналов. Кроме того, переключение длины волны лазерного излучения возможно осуществить только в пределах спектра усиления основного уровня размерного квантования, то есть в достаточно узком диапазоне 20-30 нм.
Задачей настоящего технического решения является разработка инжекционного лазера со спектром генерации, переключаемым с помощью внешнего оптического сигнала, который бы обеспечивал расширение спектра лазерной генерации до 100 нм.
Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации включает подложку, на одной стороне которой сформирован сплошной омический контакт, а на другой стороне подложки выращена полупроводниковая гетероструктура, ограниченная первой и второй сколотыми гранями, содержащая секцию накачки лазера, секцию управления лазера и оптический резонатор. При этом гетероструктура содержит последовательно нанесенные на подложку слой эмиттера n-типа проводимости, первый волноводный слой, активную область, содержащую по меньшей мере один квантово-размерный активный слой в виде квантовой ямы, второй волноводный слой, слой эмиттера р-типа проводимости, на внешней поверхности которого в области секции накачки лазера нанесен омический контакт. Внешняя поверхность секции управления лазера выполнена в виде светоприемной области.
Длина резонатора L удовлетворяет соотношению:
где L - длина резонатора, см,
1
2
R, R - коэффициенты отражения зеркал резонатора;
sw
-1
g - модальное усиление, при котором происходит переключение генерации между уровнями размерного квантования, см;
i
α - внутренние оптические потери в резонаторе.
Максимальная длина резонатора практически не ограничена, но ее увеличение свыше 10 мм приводит к падению эффективности лазера ниже эффективности прототипа вследствие внутренних оптических потерь.
Длина секции накачки при этом удовлетворяет соотношению:
p
где L - длина секции накачки, см,
max
g - максимальное модальное усиление.
Ключевым моментом для решения поставленной задачи является использование в конструкции гетероструктуры данного инжекционного лазера одной или нескольких квантовых ям в активной области, которые по толщине и составу обеспечивают наличие как минимум двух уровней размерного квантования. Количество уровней размерного квантования в квантовой яме можно оценить следующим образом.
Для квантовой ямы должно выполняться следующее приблизительное условие для наличия двух уровней электронов в зоне проводимости:
где:  - энергия 2 уровня размерного квантования для электронов, Дж;
с
ΔЕ - энергия разрыва в зоне проводимости между материалом квантовой ямы и материалом волновода, Дж;
k - постоянная Больцмана, Дж/К;
Т - температура, К;
Приблизительное условие для двух уровней дырок в валентной зоне выглядит следующим образом:
где  - энергия 2 уровня размерного квантования для дырок, Дж;
v
ΔE - энергия разрыва в валентной зоне между материалом квантовой ямы и материалом волновода, Дж.
k - постоянная Больцмана, Дж/К;
Т - температура, К.
Расчет энергии уровня размерного квантования можно упрощенно выполнить по формуле для квантовой ямы бесконечной глубины:
n
где E - энергия уровня размерного квантования, Дж;
- постоянная Планка, Дж*с;
n - номер уровня;
m - эффективная масса частицы (электрона либо дырки), кг;
d - толщина квантовой ямы, см.
Тогда условием минимальной необходимой толщины квантовой ямы будет выражение:
с
где: ΔЕ - энергия разрыва в зоне проводимости между материалом квантовой ямы и материалом волновода, Дж;
v
ΔE - энергия разрыва в валентной зоне между материалом квантовой ямы и материалом волновода, Дж;
- постоянная Планка, Дж*с.
e
m - эффективная масса электронов в зоне проводимости, кг;
h
m - эффективная масса дырок в валентной зоне, кг;
k - постоянная Больцмана, Дж/К;
Т - температура, К.
Оптический резонатор, который содержит полупроводниковая гетероструктура лазера, может быть выполнен в виде Фабри-Перо резонатора и быть образован первой и второй противолежащими сколотыми гранями гетероструктуры.
Также оптический резонатор может являться резонатором с распределенной обратной связью.
Оптический резонатор может быть выполнен в виде резонатора с распределенным брэгговским отражателем и образован первой сколотой гранью гетероструктуры и распределенным брэгговским отражателем, сформированным вблизи второй сколотой грани гетероструктуры.
Настоящий инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана конструкция инжекционного лазера с переключаемым спектром лазерной генерации с резонатором Фабри-Перо;
на фиг. 2 показана конструкция инжекционного лазера с переключаемым спектром лазерной генерации с резонатором с распределенной обратной связью;
на фиг. 3 показана конструкция инжекционного лазера с переключаемым спектром лазерной генерации с резонатором с распределенным брэгговским отражателем.
Настоящий инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации с резонатором Фабри-Перо (см. фиг. 1) включает выращенную на подложке 1 лазерную гетероструктуру, ограниченную первой и второй сколотыми гранями, содержащую последовательно нанесенные на подложку 1 слой 2 эмиттера n-типа проводимости, первый волноводный слой 3, активную область 4, содержащую по меньшей мере один квантово-размерный активный слой в виде квантовой ямы, второй волноводный слой 5, слой 6 эмиттера р-типа проводимости. Гетероструктура содержит секцию 7 накачки лазера и секцию 8 управления лазера. На внешний поверхности слоя 6 эмиттера р-типа проводимости в области секции 7 накачки лазера нанесен омический контакт 9. Внешняя поверхность секции 8 управления лазера выполнена в виде светоприемной области. На внешней стороне подложки 1 сформирован сплошной омический контакт 10.
Настоящий инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации также включает резонатор Фабри-Перо 11, который образован первой и второй противолежащими сколотыми гранями гетероструктуры, на которые могут быть нанесены интерференционные покрытия.
Длина резонатора 11 определяется следующим соотношением:
Максимальная длина резонатора 11 практически не ограничена, но ее увеличение больше 10 мм приводит к падению эффективности лазера ниже эффективности прототипа вследствие внутренних оптических потерь.
Длина секции 7 накачки при этом удовлетворяет соотношению:
Толщина d слоя квантовой ямы, обеспечивающая наличие как минимум двух уровней размерного квантования в активной области 4, удовлетворяет соотношению:
sw
Настоящий инжекционный лазер с переключаемым спектром генерации работает следующим образом. Переключение работы лазера между уровнями размерного квантования происходит следующим образом. Модальное усиление в лазере, исходя из порогового условия лазерной генерации, равно суммарным оптическим потерям. С другой стороны, модальное усиление обеспечивается определенным уровнем концентрации носителей заряда в квантовой яме. При увеличении модального усиления растет концентрация носителей заряда в квантовой яме. Если величина модального усиления оказывается выше значения переключения g, концентрация носителей заряда достигнет следующего уровня размерного квантования и генерация лазера переключится на этот уровень, то есть изменится длина волны излучения лазера.
sw
Условия для длины резонатора 11 (соотношение 1) и длины секции 7 накачки (соотношение 2) выбраны таким образом, что при протекании прямого тока через секцию накачки 7 модальное усиление в лазере превышает модальное усиление переключения g и лазер работает на втором уровне размерного квантования (коротковолновая линия в спектре генерации).
sw
При подаче в секцию 8 управления внешнего оптического излучения управления, оно поглощается в секции и создает в квантовой яме секции носители заряда, которые, в свою очередь, обеспечивают дополнительное модальное усиление, в результате общее модальное усиление во всем лазере падает ниже модального усиления переключения g и лазер переключается на первый уровень размерного квантования, то есть включается длинноволновая линия в спектре его излучения, а коротковолновая отключается.
Внешний оптический сигнал управления должен эффективно поглощаться в секции 8 управления, поэтому его длина волны А должна удовлетворять следующему выражению:
где: λ - длина волны внешнего оптического сигнала управления, мкм;
Eg - ширина запрещенной зоны квантовой ямы, эВ.
1
2
Оптический резонатор 11 инжекционного лазера с переключаемым спектром генерации может также являться резонатором с распределенной обратной связью. Его конструкция поясняется чертежом (см. фиг. 2). Резонатор 11 с распределенной обратной связью образован периодической структурой 12, изготовленной в слое 6 р-эмиттера из материала, имеющего показатель преломления, отличный от показателя преломления в слое 6 р-эмиттера. При изготовлении такого лазера геометрические параметры структуры 12 необходимо подобрать таким образом, чтобы распределенная обратная связь обеспечивала резонансное отражение на длинах волн, которые соответствуют как первому, так и второму уровням размерного квантования. При этом в качестве величин R, R в соотношениях (1) и (2) используются коэффициенты связи электромагнитных волн, распространяющихся в первом и в противоположном направлениях в резонаторе 11 с распределенной обратной связью.
1
2
Оптический резонатор 11 инжекционного лазера с переключаемым спектром генерации может также являться резонатором с распределенным брэгговским отражателем 13 (см. фиг. 3). Распределенный брэгговский отражатель 13 сформирован вблизи сколотой грани гетероструктуры. Он представляет собой периодическую структуру 14, изготовленную в слое 6 р-эмиттера из материала, имеющего показатель преломления, отличный от показателя преломления р-эмиттера. При изготовлении такого лазера геометрические параметры структуры 14 необходимо подобрать таким образом, чтобы распределенный брэгговский отражатель 13 обеспечивал резонансное отражение на длинах волн, которые соответствуют как первому, так и второму уровням размерного квантования. При этом в соотношениях (1) и (2) в качестве величины R используется коэффициент отражения сколотой грани гетероструктуры, а в качестве величины R используется эффективный коэффициент отражения распределенного брэгговского отражателя 13.
0.25
0.75
0.1
0.9
0.25
0.75
2
2
2
-9
Пример. Был изготовлен инжекционный лазер, который состоял из последовательно нанесенных на GaAs подложку слоев n-эмиттера из AlGaAs толщиной 1.5 мкм, на котором из AlGaAs был выращен волновод толщиной 1.7 мкм, включающий в себя активную область, состоящую из одной квантовой ямы из InGaAs толщиной 9*10 м, имеющую два уровня размерного квантования для электронов в зоне проводимости и более двух уровней размерного квантования для дырок в валентной зоне (соотношение 3). На волноводе был выращен слой р-эмиттера из AlGaAs толщиной 1.5 мкм. Секция накачки полупроводникового лазера была образована за счет изготовления первого омического контакта, включающего в себя контактный подслой GaAs толщиной 0.3 мкм, секция управления была образована за счет отсутствия электрического контакта в части р-эмиттера. Второй омический контакт был сформирован с n-стороны. Фабри-Перо резонатор образован двумя сколотыми гранями гетероструктуры, на которые нанесены интерференционные покрытия из Si для переднего просветленного зеркала (R=5%) и из пары Si/SiO для заднего высокоотражающего зеркала (R=95%). Длина L резонатора лазера была выбрана равной 0.15 см, длина секции накачки была равна 0.05 см. Для лазера на основе указанной конструкции выбранные длины удовлетворяют соотношениям (1) и (2). Инжекционный лазер обеспечивал переключение спектра генерации между линиями 1050 нм и 950 нм за счет ввода внешнего оптического сигнала управления в секцию управления. В качестве источника внешнего оптического сигнала управления использовался другой лазер с длиной волны 905 нм, удовлетворяющей соотношению (4).