ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/19 

Изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, к лазерным и суперлюминесцентным источникам излучения, используемым в системах связи, считывания и записи информации, контрольно-измерительной аппаратуре, медицинской технике и т.д.

Известна конструкция инжекционного лазера с гребневидным волноводом, сформированным в двойной гетероструктуре путем формирования мезаполоски с основанием, лежащим в ближайшем эмиттерном слое. В этом случае на боковых границах мезаполоски возникает скачок эффективного показателя преломления, обеспечивающий боковое оптическое ограничение излучения [1]
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является инжекционный лазер на основе гетероструктуры полупроводниковых соединений A^lllB^V и их твердых растворов с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, мезаполоской с основанием, расположенным в ближайшем к ней эмиттерном слое, и барьерными слоями из селенида цинка, расположенными на боковых поверхностях мезаполоски и прилегающих поверхностях эмиттерного слоя [2] Селенид цинка имеет более высокое объемное сопротивление (≈10⁷ Ом ˙см) и меньший, чем у AlGaAs, показатель преломления (n 2,58 при длине волны λ= 0,83 мкм). В результате ток утечки сквозь барьерный слой снижается до ничтожного значения, а под полоской образуется устойчивый гребневидный волновод с хорошим боковым оптическим ограничением, причем поглощение излучения в более широкозонном материале (ZnSe) практически отсутствует.

Отмеченные выше потенциальные возможности конструкции с барьерным слоем из ZnSe в данной работе полностью не реализованы. Можно выделить лишь высокое значение внешней квантовой эффективности (76%). Остальные параметры: пороговый ток 28 мА и линейность ватт-амперной характеристики до 15 мВт не удовлетворяют современным требованиям. Также в данной конструкции невозможно получить одномодовый характер генерации при уровнях мощности порядка 50-100 мВт. Максимальный скачок Δ n_эфф 2,2˙10^-3 недостаточен для создания оптимального оптического ограничения. Большая разность показателей преломления внутри волновода и вне его Δ n 3,5-2,6 из-за опасности возникновения поперечных колебаний не позволяет уменьшить ширину мезаполоски, необходимую для получения стабильного одномодового режима. Весьма затруднительно воспроизводимое изготовление приборов с мезаполоской конструкции, описанной в прототипе.

Техническим результатом изобретения является стабилизация одномодового режима генерации при повышении мощности излучения и улучшение пространственной диаграммы излучения.

В настоящем инжекционном лазере мезаполоска имеет в поперечном сечении форму прямоугольника шириной 1.3 мкм с плавным расширением, начинающимся на расстоянии от основания не более чем 0,3 мкм, причем отношение ширины основания мезаполоски к ширине ее прямоугольной части лежит в диапазоне 1,5.3,0, а толщина противоположного эмиттерного слоя составляет не менее 2,5 мкм.

На чертеже показан предлагаемый лазер.

Лазер содержит гетероэпитаксиальную четырехслойную структуру 1, эмиттеры 2 и 3, контактный слой 4, мезаполоску 5, барьерный слой 6 из ZnSe, активную область 7, диаграмму 8 излучения в плоскости p-n-перехода, подложку 9, слои 10 и 11 оптических контактов, расширенный контакт 12 и трехслойный волновод 13.

П р и м е р. В пятислойной эпитаксиальной структуре на λ 0,85 мкм составе контактный слой 4 GaAsp⁺⁺. Р-эмиттер 3 Al_0,6Ga_0,4As, волноводный слой Al_0,3Ga_0,7As, активная область 7 Al_0,05Ga_0,95As, волноводный слой Al_0,3Ga_0,4As, N-эмиттер 2 Al_0,6Ga_0,4As. Сформирована мезаполоска 5 шириной 2,8 мкм. Толщина Р-эмиттера 3 вне мезы составила 0,05 мкм, а начало плавного расширения мезы удалено от активной области на 0,2 мкм. Мезаструктура со сформированным полосковым омическим контактом слоя 10 была заращена слоем 6 ZnSе толщиной 0,4 мкм, а после его удаления со стороны эпитаксиальных слоев напылен расширенный контакт 12.

Формирование сплошного контакта Au-Ge-Au производилось по стандартной технологии. Затем пластина разделялась на элементы, которые напаивались на медный теплоотвод для испытаний.

Измерения дали следующие результаты, существенно превосходящие параметры лазеров, описанных в прототипе:
I_пор 20-25 мА
η_эфф 60-70%
Линейность ВТАХ до 80-100 мВт
Предельная мощность до 200 мВт
Угловая расходимость излучения 10х25^о
Астигматическая разность менее 5 мкм.

Проведенные экспериментальные исследования предложенного инжекционного лазера, как и показано в примере, позволили снизить пороговые токи, увеличить квантовую эффективность, улучшить линейность ватт-амперной характеристики, что позволило стабилизировать одномодовый режим регенерации при повышенных мощностях излучения (до 200 мВт в непрерывном режиме) и улучшить пространственную диаграмма излучения, приближая ее к окружности при снижении астигматизма.

Использование: в полупроводниковой квантовой электронике, в лазерных и суперлюминесцентных источниках излучения для систем связи, считывания и записи информации, контрольно-измерительной аппаратуре, медицинской техники. Сущность изобретения: в инжекционном лазаре на основе гетероструктуры полупроводниковых соединений A^IIIB^IV и их твердых растворов с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, мезаполоской с основанием, расположенным в ближайшем к ней эмиттерном слое и барьерными слоями из селенида свинца выбраны форма и размеры мезаполоски, а также размер противоположного эмиттерного слоя. 1 ил.

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР на основе гетероструктуры полупроводниковых соединений A^III B^V и их твердых растворов с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, мезаполоской с основанием, расположенным в ближайшем к ней эмиттерном слое, и барьерными слоями из селенида цинка, расположенными на боковых поверхностях мезаполоски и прилегающих поверхностях эмиттерного слоя, отличающийся тем, что мезаполоска имеет в поперечном сечении форму прямоугольника шириной 1 3 мкм с плавным расширением, начинающимся на расстоянии от основания не более 0,3 мкм, причем отношение ширины основания мезаполоски к ширине ее прямоугольной части лежит в диапазоне 1,5 3,0, а толщина противоположного эмиттерного слоя составляет не менее 2,5 мкм.