КВАНТОВО-КАСКАДНЫЙ ЛАЗЕР СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике, а именно к устройствам, генерирующим лазерное излучение в среднем инфракрасном диапазоне длин волн от 4 до 10 мкм.
+
+
Известен квантово-каскадный лазер (заявка JP 2018046128, МПК H01S 5/12, H01S 5/343, опубликована 22.03.2018), содержащий подложку из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости, слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи и слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n-типа проводимости. Полосок выполнен в форме равнобедренной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера. Эквидистантно расположенные штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме отрезков прямых линий. На тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое сформированы металлические контакты.
Недостатком известной конструкции является плохой отвод тепла от активной области из-за того, что протравленная меза, ограничивающая область протекания тока, не заращивается, что ограничивает отвод тепла в боковые области.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка CN 101026287, МПК H01S 5/187, H01S 5/20, H01S 5/343, опубликована 29.08.2007), включающий подложку GaAs, на одной стороне которой нанесен нижний металлический контакт, а на другой стороне подложки сформирована нижняя волноводная обкладка, нижний волноводный слой, активная область, верхний волноводный слой, верхняя обкладка и верхний контактный слой, на котором расположена дифракционная решетка распределенной обратной связи с прямыми штрихами.
Недостатком известного лазера является наличие поглощения в приконтактной области, что увеличивает потери. Необходимость формирования глубокой мезы без заращивания приводит к плохому отводу тепла в боковые области.
Совокупность данных факторов приводит к невозможности использовать такую конструкцию в непрерывном режиме генерации.
+
+
Известен квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона (см. патент RU 192784, МПК H01S 5/12, H01S 5/343 опубликован 01.10.2019), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Лазер-прототип содержит подложку из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости, слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости с уровнем легирования, меньшим уровня легирования подложки, квантово-каскадную активную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи, слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n-типа проводимости. Металлические контакты нанесены соответственно на тыльную сторону подложки и на верхний контактный слой. Штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме эквидистантных дуг концентрических окружностей. Радиус первой от центра окружности равен не менее 20⋅λ. Полосок выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи.
В известном квантово-каскадном лазере использована традиционная конструкция с травлением глубокой мезы с обеих сторон полоска, обеспечивающая эффективное ограничение области протекания тока. Однако такая конструкция не позволяет отводить тепло от активной области квантово-каскадного лазера в боковые стороны. Данное обстоятельство приводит к быстрому перегреву активной области, что существенно ограничивает выходную оптическую мощность лазера. Наиболее существенным данный недостаток является при использовании лазера в режиме непрерывной генерации, где эффективный отвод тепла является просто критически важным, так, в отличие от импульсного режима, здесь отсутствуют промежутки времени между импульсами, в течение которых прибор может остывать. Снижение эффективности отвода тепла быстро приводит к нагреву активной области на 100 K и более за время, не превышающее 10 мкс. Невозможность отвода тепла в боковые стороны существенно ограничивает выходную мощность в непрерывном режиме генерации или вообще препятствует осуществлению работы лазера в этом режиме.
Задачей настоящего технического решения является разработка квантово-каскадного лазера среднего инфракрасного диапазона, в котором бы обеспечивался улучшенный отвод тепла от областей протекания тока и генерации оптического излучения, приводящий к повышению эффективности работы лазера за счет снижения нагрева активной области при протекании через нее тока, что уменьшает безизлучательные потери и тем самым увеличивает усиление активной области.
+
+
Поставленная задача решается тем, квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона включает подложку из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы слой нижней волноводной обкладки из соединения А3В5 n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки последовательно сформированы квантово-каскадная активная область на основе соединений А3В5, слой верхней волноводной обкладки на основе соединения А3В5 n-типа проводимости и верхний контактный слой n-типа проводимости. На тыльной стороне подложки и на центральную часть верхнего контактного слоя нанесены металлические контакты. Новым в квантово-каскадном лазере является то, что слои нижней и верхней волноводных обкладок выполнены из InP, на верхнем контактном слое сформированы две области р-n переходов из трех пар чередующихся слоев из InP р-типа проводимости и InP n-типа проводимости, разделенные канавкой, проходящей до верхнего контактного слоя, а металлический контакт нанесен на боковую поверхность канавки и на поверхности двух областей р-n переходов.
+
Верхний контактный слой n-типа проводимости может быть выполнен из InP.
Квантово-каскадная активная область может содержать от 10 до 100 квантовых каскадов из чередующихся слоев из InGaAs и InAIAs, предпочтительно не менее 20 квантовых каскадов.
В такой конструкции квантово-каскадного лазера электрический ток будет протекать только в области сформированной канавки. В областях чередующихся слоев из InP с различным типом легирования, n-типа и р-типа, за счет встроенных потенциальных барьеров шести р-n переходов, три из которых, при приложении напряжения, будут смещены в прямом направлении, а три в обратном, электрический ток протекать не будет. Эффективный отвод тепла от конструкции квантово-каскадного лазера будет происходить во всех направлениях.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона в продольном разрезе;
на фиг. 2 схематично изображено протекание тока (пунктирные стрелки) и отвод тепла (боковые стрелки) в работающем настоящем лазере.
+
+
Настоящий квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона (на фиг. 1) содержит нижний металлический контакт 1, подложку 2 из InP n-типа проводимости, слой 3, служащий нижней волноводной обкладкой из InP n-типа проводимости с уровнем легирования, меньшим уровня легирования подложки 2. На слое 3 последовательно выращены квантово-каскадная активная область 4 на основе соединений А3В5, например из InGaAs/InAIAs, слой 5 верхней волноводной обкладки из InP n-типа проводимости и верхний контактный слой 6, например из InP n-типа проводимости. На верхнем контактном слое 6 сформированы две области 7 р-n переходов из трех пар чередующихся слоев: слоя 8 из InP р-типа проводимости и слоя 9 из InP n-типа проводимости, разделенные канавкой 10, проходящей до верхнего контактного слоя 6. Верхний металлический контакт 11 нанесен на поверхность канавки 10 и на поверхности двух областей 7 р-n переходов, а нижний металлический контакт 1 нанесен на тыльную сторону подложки 2. Слой 3 нижней волноводной обкладки, квантово-каскадная активная область 4 и слой 5 верхней волноводной обкладки образуют лазерный волновод. Квантово-каскадный лазер может быть изготовлен эпитаксиальным выращиванием и пост ростовой обработкой, что обеспечивает сравнительную простоту технологического процесса и низкую себестоимость.
Настоящий квантово-каскадный лазер работает следующим образом. При накачке лазера электрическим током, ток протекает через полупроводниковую структуру квантово-каскадного лазера, в результате чего возникает электролюминесценция в области генерации 12 (фиг. 2) на внутризонных переходах в квантовых каскадах квантово-каскадную активнной области 4. При этом электрический ток будет протекать только в области сформированной канавки 10. В областях 7 из чередующиеся слоев 8, 9 из InP с различным типом легирования, n-типа проводимости и р-типа проводимости, за счет встроенных потенциальных барьеров шести р-n переходов, три из которых, при приложении напряжения, будут смещены в прямом направлении, а три в обратном, электрический ток протекать не будет. Эффективный отвод тепла от настоящего квантово-каскадного лазера будет осуществляться во всех направлениях, подобно прибору с заращенным лазерным полоском.
+
17
-3
16
-3
16
3
+
18
-3
17
-3
17
-3
Был изготовлен макетный образец квантово-каскадного лазера среднего инфракрасного диапазона. Лазер состоял из подложки из InP n-типа проводимости с уровнем легирования 3⋅10 см, нижней волноводной обкладки из InP n-типа проводимости с уровнем легирования 5⋅10 см, квантово-каскадной активной области, содержащей 30 квантовых каскадов, изготовленных из слоев твердых растворов InGaAs и InAIAs, излучающей в диапазоне 4-9 мкм, верхней волноводной обкладки из InP n-типа с уровнем легирования 5⋅10 см, верхнего контактного слоя из InP n-типа с уровнем легирования 1⋅10 см. На верхнем контактном слое были сформированы две области р-n переходов из трех пар чередующихся слоев из InP р-типа проводимости с уровнем легирования 3⋅10 см и InP n-типа проводимости с уровнем легирования 3⋅10 см, разделенные канавкой, проходящей до контактного слоя. На поверхность канавки и на поверхности двух областей р-n переходов был нанесен верхний металлический контакт, а на тыльную сторону подложки нанесен нижний металлический контакт. Проведенные исследования макетного образца показали увеличение выходной оптической мощности, что указывает на эффективность настоящей конструкции квантово-каскадного лазера среднего инфракрасного диапазона.