МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/19 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, волоконной оптики и лазерной техники. Оно может быть использовано, в частности, в системах оптической связи и обработки информации.

Известны полупроводниковые лазеры с шириной области излучения, составляющей 100 мкм и более, что обеспечивает большую выходную их мощность. Основной проблемой таких лазеров является создание узкой, близкой к дифракционной диаграммы направленности их выходного излучения в плоскости p-n перехода, что достигается использованием в активной области лазера полосковых волноводов с модами утечки. Моды утечки синхронизуют отдельные каналы генерации лазера между собой. Однако в результате этого происходит повышение порога генерации такого типа лазеров [1]
Известен также волноводный лазер, в котором для обеспечения низкой расходимости излучения в плоскости волновода предлагается использовать двумерное брэгговское зеркало типа уголкового отражателя [2] Однако, практическая реализация полупроводникового лазера такого типа в настоящее время затруднена, так как проблема ликвидации диссипативных потерь в таком зеркале пока не решена.

Известна система полупроводниковых лазеров, активные области которых объединены между собой с помощью волокон, линз, пространственного фильтра и общего внешнего зеркала. Пространственный фильтр, размещенный в Фурье-плоскости внешнего резонатора, вынуждает все лазеры системы генерировать когерентно, на одной частоте и с жестко связанными фазами на выходе каждого полупроводникового лазера. Очевидным недостатком этой лазерной системы является необходимость жесткой стыковки всех ее элементов, а следовательно, невысокая надежность ее работы [3]
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции лазера, повышение надежности его работы, а также достижение большей компактности устройства.

Этот технический результат достигается тем, что гофрированный слой, выполняющий роль селективного зеркала обратной связи, наносится непосредственно на выходной торец полупроводникового лазера через буферный слой с показателем преломления меньшим, чем у волнового зеркала. Буферный слой служит для оптической изоляции гофрированного волновода от полупроводниковой среды, показатель преломления которой составляет 3-3,5. Толщины буферного слоя и волнового слоя, а также их показатели преломления выбираются так, чтобы минизировать коэффициент R_Ф Френелевского отражения света от поверхности выходного торца лазера и, тем самым понизить добротность резонатора Фабри-Перо, образованного торцами этого лазера.

Условиями нулевого отражения R_Ф света от поверхности торца полупроводникового лазера являются:


где

n_w показатель преломления волнового слоя,
n_b показатель преломления буферного слоя,
n_s показатель преломления полупроводника,
n_c показатель преломления прилегающей среды,
h_w толщина волнового слоя,
h_b толщина буферного слоя.

На практике достижимы коэффициенты отражения R_Ф, составляющие доли процента 0,1-1% в то время как коэффициенты селективного отражения составляют десятки процентов. Поэтому такая минимизация величины R_Ф стабилизирует длину волны излучения лазера и способствует действию волнового отражателя света. Последний работает так, что после каждого отражения ограниченного пучка света от него ширина отраженного пучка увеличивается, достигая в пределе размеров ширины активной области полупроводникового лазера. Это обстоятельство обеспечивает низкую расходимость излучения лазера в плоскости p-n перехода, которая будет определяться соотношением θ ≈ λ/D где D ширина активной области лазера, λ_г длина волны генерируемого излучения, определяемая соотношением λ_г= n^*Λ где Λ период гофра и n^* эффективный показатель преломления гофрированного волновода.

Таким образом, заявляемый полупроводниковый лазер соответствует критерию "новизна".

На чертеже приведена схема полупроводникового лазера с повышенной яркостью излучения, где приняты следующие обозначения:
а) вид сверху, б) вид сбоку, полупроводниковый лазер 1, активная область лазера 2, буферный слой 3, гофрированный волновод 4, электроды 5, заднее отражающее зеркало 6.

Лазер работает следующим образом. При приложении напряжения к электродам лазера в его активной области возникает инверсная заселенность носителей зарядов. Спонтанно возникшее излучение света вблизи заднего зеркала активной зоны, распространяясь вдоль оси ее, усиливается и достигает селективного зеркала на выходном торце, здесь излучение с длиной волны λ = Λ·n^* отражается назад и, кроме того, вследствии распространения по гофрированному волноводу, обусловливает уширение пучка света. После многократных проходов излучения от заднего зеркала к переднему и снова к заднему, в активной зоне лазера формируется мода, которая по ширине занимает всю активную зону, что на выходе лазера обеспечивает расходимость излучения θ ≈ λ/D т.е. дифракционную расходимость в плоскости p-n перехода.

Конкретным примером реализации полупроводникового лазера с низкой расходимостью излучения является лазер на основе соединения CaAlAs-GaAs, работающий в области λ ≈ 0,85 мкм. В качестве буферного слоя напыляется окись кремния с показателем преломления n_b 1,46 и толщиной h_b 0,48 мкм, поверх него наносится слой окиси ниобия с показателем преломления n_w 2,2 и толщиной h_w 0,05 мкм. Указанная толщина пленки обеспечивает одномодовый волновод в указанном диапазоне длин волн. Затем стандартным голографическим методом и методом ионного травления на поверхности волноводного слоя изготавливается дифракционная решетка с периодом Λ = 0,85/1,5 ≈ 0,56 мкм, причем штрихи решетки ориентированы перпендикулярно плоскости r-n перехода лазера.

При ширине активной области D=150 мкм, работа такого лазера обеспечивает генерацию одной линии излучения с λ = 0,85 мкм и расходимостью на выходе θ = 5,6 мрад.

Использование изобретения позволит изготавливать полупроводниковые лазеры не только с повышенной мощностью излучения, но и с узкой (Δλ ≈ 0,1 нм линией излучения и низкой расходимостью (θ ≈ λ/D) в плоскости p-n перехода. В отличие от многоканального лазера с внешним отражателем, изложенного в [3] (прототип), в предлагаемом лазере за счет нанесения гофрированного волноводного слоя непосредственно на выходной торец лазера достигается жесткость конструкции, надежность работы лазера. По сравнению с изменяющимися РОС-лазерами и лазерами с РБЗ, предлагаемый лазер позволяет практически использовать стандартную технологию производства полупроводниковых лазеров, которая существенно проще и дешевле технологии РОС-лазеров.

По данному техническому предложению в ИОФ РАН были выполнены исследования аномального отражения света от поверхности гофрированного волновода, разработана технология изготовления гофрированных волноводов, также проведены экспериментальные исследования одночастотной генерации света полупроводникового лазера с гофрированным зеркалом.

Возможная область использования полупроводниковых лазеров с повышенной яркостью излучения оптическая связь, лазерная медицина, системы обработки информации.

Использование: в оптоэлектронике, в частности в системах оптической связи и обработки информации. Сущность: на выходной торец лазера наносится два слоя диэлектрика, один из которых является одномодовым волноводом, а другой буферным слоем, оптически изолирующим волновод от среды с высоким показателем преломления. Волноводный слой гофрирован с периодом Λ = λ/n^* , где n^* - эффективный показатель преломления волноводной моды. Гофрировка волновода обеспечивает узкополостное отражение света в направлении, нормальном к поверхности его, а растекание света по этому волноводу уширяет пучок света. Это обстоятельство способствует генерации света по всему сечению активной области и дает в результате низкую расходимость его в плоскости p-n-перехода. По сравнению с имеющимися лазерами с широкой областью излучения, заявляемый лазер обладает узкой линией излучения, высокой надежностью работы, компактностью и не требует использования сложной технологии при своем изготовлении, такой, например, как РОС-лазеры. 1 ил.

Многоканальный полупроводниковый лазер, содержащий селективный отражатель, синхронизирующий излучение отдельных каналов, отличающийся тем, что он выполнен в виде гофрированного слоя, нанесенного на выходной торец лазера через буферный слой, причем показатель преломления материала буферного слоя меньше показателя преломления материала гофриированного слоя, кроме того, материалы для буферного и гофрированного слоев выбраны с такими показателями преломления, что вместе с толщинами этих слоев они обеспечивают френелевский коэффициент отражения света на длине волны генерации на выходном торце лазера, не превышающий 0,5%