Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для генерирования перестраиваемого одночастотного излучения в широком диапазоне длин волн средней инфракрасной области спектра.
III
V
Известны подходы по изменению диапазона перестройки одночастотных квантово-каскадных лазеров. Один из подходов заключается в изменении геометрии резонатора. Так, например, известны кристаллы одночастотного квантово-каскадного лазера с одиночным резонатором Фабри-Перо, включающим спиралевидную часть. В работе [Liu P. Q. et al. Single-mode quantum cascade lasers employing a candy-cane shaped monolithic coupled cavity //Applied Physics Letters. - 2011. - T. 99. -№. 24. - C. 241112.] раскрывается кристалл квантово-каскадного лазера в виде гетероструктуры, состоящей из подложки на основе InP, активной области, сформированной на подложке послойно и содержащей чередующиеся слои InGaAs, образующие квантовые ямы, и слои InAlAs, образующие потенциальные барьеры, слоев обкладок волновода на основе твердых растворов AB, и интегрированного в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо, содержащего спиралевидную часть.
В заявке США [US2016181470 (А1) МПК H01L 33/00, H01L 33/44, H01L 33/48, опубл. 23.06.2016] также раскрывается кристалл квантово-каскадного лазера с одиночным резонатором, выполненным в виде спирали.
III
V
Известны также кристаллы одночастотных квантово-каскадных лазеров с интегрированным в гетероструктуру резонатором в виде «арочного» элемента. В патенте США [US9014230 (В2), МПК 2006 H01S 3/081, H01S 5/065, H01S 5/10, H01S 5/22, опубл. 21.04.2015] раскрывается кристалл квантово-каскадного лазера, в виде гетероструктуры, состоящей из подложки на основе InP, активной области, сформированной на подложке послойно и содержащей чередующиеся слои InGaAs, образующие квантовые ямы, и слои InAlAs, образующие потенциальные барьеры, слоев обкладок волновода на основе твердых растворов AB, и интегрированного в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с зеркалами, образованными скалыванием, и с контактной площадкой на верхней поверхности резонатора, при этом нижняя контактная площадка расположена на поверхности подложке, противоположной поверхности резонатора.
Недостатком данных решений является ограничение диапазона перестройки за счет наличия только одного резонатора, который определяет центральную длину волны, относительно которой возможна перестройка, и отсутствие возможности работы при комнатной температуре.
Техническая проблема заключается в повышении эффективности управления длиной излучения кристалла квантово-каскадного лазера.
Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки излучения кристалла квантово-каскадного лазера, как за счет изменения его температурного режима, так и за счет переключения токовой накачки между интегрированными в гетероструктуру резонаторами Фабри-Перо.
Технический результат достигается тем, что в гетероструктуру перестраиваемого кристалла квантово-каскадного лазера интегрировано дополнительно два резонатора Фабри-Перо с различными параметрами «арочных» элементов с изолированными контактными площадками на верхних поверхностях и единым сколом с функцией зеркала на поверхности, перпендикулярной плоскости роста гетероструктуры, для всех интегрированных резонаторов. Разная длина линейных частей «арочного» резонатора Фабри-Перо формируется за счет смещения центров округлых частей резонатора друг относительно друга и определяется геометрией фотолитографического шаблона. Резонаторы кристалла перестраиваемого квантово-каскадного лазера сформированы методом жидкостного травления на поверхности гетероструктуры.
16
-3
17
-3
При этом возможно также, что обкладки волновода выполнены из InP с уровнем легирования от 10см до 10 см.
16
-3
17
-3
При этом возможно также, обкладки волновода выполнены из InAlAs с уровнем легирования от 10см до 10 см.
16
-3
17
-3
При этом возможно также, обкладки волновода выполнены из InGaAs с уровнем легирования от 10 см до 10 см.
17
-3
18
-3
При этом возможно также, что подложка выполнена из InP с уровнем легирования от 10 см до 10 см.
На фиг. 1 показан кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера (внизу показан поперечный разрез, сверху показан вид сверху).
17
-3
18
-
Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера состоит из нескольких интегрированных в гетероструктуру резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента и подложки 1. Резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента интегрированы в полупроводниковую гетероструктуру, послойно сформированной на подложке 1. Подложка 1 выполнена из InP с уровнем легирования от 10 см до 10 см
Подложка 1 сколота с образованием общего для всех резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента зеркала 2, предназначенного для вывода оптического излучения.
На подложке 1 выполнена общая для всех резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента нижняя контактная площадка 3. Контактная площадка 3 выполнена из золота.
Каждый из резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента состоит из активной области 4, нижней и верхней обкладок 5 и 6 соответственно, контактной площадкой на верхней поверхности резонатора 7, резонатора 8.
Активная область 4 состоит из квантовых каскадов, образованных чередующимися слоями, образующими квантовые ям, и слоями, образующими потенциальные барьеры.
Активная область 4 расположена между нижней и верхней обкладками 5 и 6. Слои, образующие квантовые ямы, выполнены из InGaAs, а слои, образующие потенциальные барьеры, выполнены из InAlAs.
III
V
Слои обкладок волновода 5 и 6 сформированы на основе твердых растворов AB.
Резонатор 8 расположен на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, выполнен в виде интегрированного в гетероструктуру монолитно-связанного резонатора Фабри-Перо в форме «арки» и образован двумя линейными частями одинаковой длины, соединенными округлой частью. Интегрированные в гетероструктуры резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента выполнены с различными параметрами «арочных» элементов.
Перенастраиваемый квантово-каскадный лазер работает следующим образом. При подаче напряжения на контактные площадки 3 и 7 электроны в активной области туннелируют с верхних подзон размерного квантования (каскадов) в нижние с излучением фотонов. Выделенные частоты генерируемых волн в линейных частях и округлой части каждого из резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента совпадают, за счет чего обеспечивается одночастотная генерация.
Перестройка длины излучения посредством токовой накачки осуществляется двумя способами.
В первом способе напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 каждого резонатора Фабри-Перо в форме «арки» посредством контактных проволок. Поскольку резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента выполнены с различными геометрическими параметрами, то они генерируют оптическое излучение с разными начальными длинами волн. Затем напряжение от внешнего источника снимают с контактных площадок 7 того резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, длина волны генерации которого наиболее близка к желаемой величине. Затем значение подаваемого напряжения изменяют. При изменении значения подаваемого напряжения от внешнего источника изменяется длина волны, генерируемая резонатором Фабри-Перо в виде «арочного» элемента. При этом значение конечной длины волны, генерируемой резонатором Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, зависит от начального значения длины волны. Таким образом, сдвиг диапазона излучения определяется длиной волны, излучаемой резонатором Фабри-Перо в виде «арочного» элемента до изменения напряжения. Диапазон генерируемых длин волн кристаллом квантово-каскадного лазера перестраивается плавно с изменением напряжения, а не скачкообразно.
Во втором способе напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 каждого квантово-каскадного излучателя посредством контактных проволок. Поскольку резонаторы Фабри-Перо в виде «арочного» элемента выполнены с различными параметрами «арки, то они генерируют оптическое излучение с разными начальными длинами волн. Затем напряжение от внешнего источника снимают с контактных площадок 7 выборочных резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента. При этом диапазон конечных длин волн, генерируемых резонаторами Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, зависит от геометрических параметров. Таким образом, сдвиг диапазона излучения определяется длинами волн резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента, которые генерируют лазерное излучение. Сдвиг диапазона перестройки кристалла происходит скачкообразно благодаря разной величине радиусов округлых частей и длин линейных частей резонаторов. Величина скачка определяется разницей в величине радиусов округлых частей и длин линейных частей следующим образом: чем меньше разница, тем меньше скачок.
Перестройка длины излучения посредством изменения температурного режима осуществляется следующим образом. Напряжение от внешнего источника подается к контактным площадкам 3 и 7 выбранного резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента посредством контактных проволок. Затем изменяют температуру кристалла квантово-каскадного лазера, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны слоев активной области, за счет чего происходит смещение максимума спектра оптического усиления в сторону больших длин волн (при увеличении температуры) и в сторону меньших длин волн (при уменьшении температуры). Длина волны генерации меняется плавно, плавность определяется скоростью изменения температуры всего кристалла квантово-каскадного лазера.
Используется либо один из способов перестройки, а именно: или за счет токовой накачки, или за счет изменения температурного режима, либо оба способа одновременно. Это позволяет расширить достижимый диапазон перестройки длины волны излучения.
Пример. Кристалл квантово-каскадного лазера содержит два интегрированных в гетероструктуру резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с различными параметрами «арочных» элементов. Длина линейных частей резонатора первого резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента составляет 1 мкм, а длина линейных частей второго резонатора Фабри-Перо в виде «арочного» элемента составляет 3 мкм. Радиус округлой части первого резонатора составляет 75 мкм, а радиус округлой части второго резонатора составляет 100 мкм. Оба резонатора имеют только одно общее зеркало, сформированное скалыванием.
На фиг. 2 показан сдвиг волны излучения. Пунктирной линией показана зависимость интенсивности излучения от длины волны излучения с длиной линейных частей 1 мм и радиусом округлой части 75 мкм, а непрерывной линией - зависимость интенсивности излучения от длины волны излучения с длиной линейных частей 3 мм и радиусом округлой части 100 мкм. Разница между длиной волны излучения резонаторов Фабри-Перо в виде «арочного» элемента с различными параметрами «арочных» элементов составляет 30 нм (диапазон перестройки с 7753 нм до 7783 нм).