Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к высокоярким и высокомощным полупроводниковым инжекционным источникам излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров.
Известны различные типы инжекционных лазеров и лазер-усилителей: инжекционные лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1], инжекционные лазеры с распределенной обратной связью [2], инжекционные лазеры-усилители, в том числе типа мастер-лазер-усилитель мощности (МОРА) [3], полупроводниковые лазерные диоды с изогнутыми резонаторами и выводом излучения через поверхность [4]. Всем этим лазерным источникам излучения присущ один очень значительный недостаток: при увеличении размеров тела свечения дифракционная расходимость нарушается и яркость указанных источников резко уменьшается.
В инжекционном лазере с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1] активная область расположена между вертикальными отражателями оптического резонатора. При протекании тока через активную область в ней возникает усиление излучения, а при известных соответствующих условиях и генерация. Одно из зеркал оптического резонатора делают частично прозрачным и через него выходит используемое излучение. В таком лазере в активной области существуют только "направляемые моды", т. е. волноводные моды распространяемые вдоль оси оптического резонатора между его зеркалами. При этом принимаются меры, необходимые для того, чтобы исключить возникновение вытекающего излучения через слои гетероструктуры в подложку и верхний контактный слой, так как это снижает эффективность работы лазерных устройств. Размер тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры обычно не превышает 1 мкм, а в направлении параллельном слоям гетероструктуры - определяется шириной полосковой активной области. Этим лазерам свойственны три существенных недостатка:
- высокая астигматичность излучения, обусловленная ограниченным размером тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры;
- нарушение одномодового режима работы с резким увеличением расходимости лазерного излучения при увеличении ширины полосковой активной области (в типичном случае полоскового лазера это происходит, если ширина полоска превышает 3 - 6 мкм);
- малые площади тела свечения, для которых обеспечивается дифракционная расходимость излучения, ограничивают создание полупроводникового лазера, обладающего высокими мощностью и яркостью выходного излучения и одновременно высокой надежностью.
Создание полупроводниковых источников излучения высокой яркости, сохраняющих дифракционную расходимость при увеличении размеров его излучающей поверхности, а, следовательно, и выходной мощности излучения является одной из важнейших задач лазерной техники.
В патенте [5] и статье [6] одних и тех же авторов сделана попытка увеличить выходную апертуру и, соответственно, уменьшить угол расходимости и астигматизм в направлении, перпендикулярном к p-n переходу, для чего был предложен инжекционный лазер с вытекающим излучением.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является инжекционный лазер, включающий подложку и лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой с показателем преломления равным na, шириной запрещенной зоны равной Ea, эВ, а также активную область шириной WАО, мкм, отражатели, оптический резонатор длиной LОР, мкм, омические контакты, барьерные области, покрытия с коэффициентом отражения, близким к единице и просветляющие, средство вывода излучения с выводящей поверхностью, которое сформировано по крайней мере с одной стороны активного слоя, включающее область вывода, прозрачную для выводимого лазерного излучения, имеющую показатель преломления nОВ, коэффициент поглощения выводимого лазерного излучения αOB, см-1, толщину dОВ, мкм, ширину WОВ, мкм, длину вдоль оси оптического резонатора, определяемую через длину LОВВ, мкм, ее внутренней поверхности на границе с лазерной гетероструктурой и через длину LОВН мкм, ее наружной поверхности с противоположной стороны, и ограниченной со стороны размещения отражателей оптического резонатора оптическими гранями, направленными под углом наклона ψ относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси оптического резонатора, с вершиной угла наклона ψ, расположенной на внутренней поверхности, при этом совокупность, состоящая из лазерной гетероструктуры и присоединенной области вывода излучения, имеющая эффективный показатель преломления nэфф, и область вывода излучения охарактеризованы заданными соотношениями показателей преломления nэыфф nОВ [5].
Схематичное изображение конструкции известного инжекционного лазера с вытекающей волной изображено на фиг.1 в виде продольного (вдоль оси оптического резонатора) сечения с плоскостями отражателей оптического резонатора и оптическими гранями области вывода излучения, размещенными в плоскости, перпендикулярной к продольной оси оптического резонатора, названной перпендикулярной плоскостью, и с односторонним выводом излучения.
Известный инжекционный лазер 1 (далее лазер 1, см. фиг.1) состоит из подложки 2, лазерной гетероструктуры 3, содержащей активный слой 4, помещенный между двух оптически однородных ограничительных слоев 5 и 6, по одному с каждой стороны. С торцевых сторон лазерная гетероструктура 3 ограничена сколотыми зеркальными отражателями 7, определяющими длину LОР оптического резонатора Фабри-Перо. На отражатели 7 нанесены отражающие покрытия 8. На удаленной от активного слоя 4 поверхности ограничительного слоя 6 помещена полупроводниковая область вывода излучения 9 с выводящей поверхностью 10, расположенной на одной из оптических граней 11 области вывода 9. Ограничительный слой 6 и полупроводниковая область вывода излучения 9 составляют средство вывода излучения 12. Область вывода 9, которой является подложка 2, имеет продольное сечение в виде прямоугольника (см. фиг.1). Продольная длина LОВВ внутренней поверхности 13 области вывода 9, граничащая с лазерной гетероструктурой 3, равна длине LОР. С противоположной стороны продольная длина LОВН наружной поверхности 14 области вывода 9 также равна длине LОР. Условными линиями со стрелочками изображены направления вытекающего излучения под углом вытекания ϕ внутри области вывода 9 и выходного излучения под углом преломления δ к выводящей поверхности 10 на оптической грани 11 вне области вывода 9. Плоскость оптической грани 11 с выводящей поверхностью 10 помещена под углом наклона ψ, является продолжением плоскости одного из отражателей 7 оптического резонатора, т.е. параллельна перпендикулярной плоскости. Вершина угла ψ помещена на внутренней поверхности 13. На рассматриваемую оптическую грань 11 нанесено просветляющее покрытие 15. Плоскость противоположной оптической грани 11 является продолжением плоскости другого отражателя 7 и на нее нанесено отражающее покрытие 8. На удаленной от активного слоя 4 поверхности ограничительного слоя 5 лазерной гетероструктуры 3 помещен контактный слой 16 и на нем сформирован омический контакт 17. С противоположной стороны на наружной поверхности 14 области вывода излучения 9 (в данном случае на поверхности подложки 2) выполнен омический контакт 18.
Активный слой 4 выбран весьма толстым, толщиной da в пределах 0,1...2 мкм. Ограничительные слои 5 и 6 оптически однородны, их показатели преломления nОгС меньше na. Ограничительный слой 6, смежный с областью вывода 9 излучения (подложкой 2) выбран тонким, а именно, 0,5...0,06 мкм. Область вывода 9 излучения (для вытекающей волны) имеет показатель преломления nОВ больше показателя преломления nОгС ограничительного слоя, смежного с ним. Ширина запрещенной зоны области вывода 9 излучения либо очень незначительно превышает (не более чем на 0,03...0,04 эВ), либо равна ширине запрещенной зоны активного слоя 4. Различие в ширине запрещенной зоны обусловлено либо типом, либо уровнем легирования одного и того же материала, используемого в качестве активного слоя 4 и области вывода 9 излучения, что определяет большое значение коэффициента поглощения αOB, порядка 30 см-1 (см. [6]). Толщина dОВ области вывода 9 излучения выбрана много больше суммы толщин активного слоя 4 da и оптически однородного однослойного ограничительного слоя 6 dОгС, смежного с областью вывода 9. Область вывода 9 ограничена сколотыми оптическими гранями 11, перпендикулярными к активному слою 4. Зеркальные отражатели 7, перпендикулярные к активному слою 4, оптического резонатора выполнены с коэффициентом отражения, близким к единице, а вывод генерируемого в объеме лазера 1 излучения при работе прибора осуществляется через плоскую выводящую поверхность 10, помещенную на оптических гранях 11 области вывода 9.
После приложения смещения к p-n переходу, который образован между, например, активным слоем 4 и ограничительным слоем 6, смежным с областью вывода 9, осуществляется инжекция неравновесных носителей в активный слой 4 и в нем возникает генерация излучения заданной длины волны λ и модового состава. Функционирование лазера 1 в режиме вытекающей моды происходит при условии, что ограничительный слой 6, примыкающий к области вывода 9 излучения, выбран весьма тонким для того, чтобы часть излучения распространялась в дополнительный слой и образовывало в нем вытекающую неволноводную волну под некоторым углом вытекания ϕ к p-n переходу, т.е., чтобы было реализовано условие вывода излучения в дополнительный слой 9. Для этого последний выбран с таким коэффициентом поглощения αOB вытекающего излучения, чтобы оно в нем сильно не поглощалось.
Известно из [7], что необходимым условием вытекания является выполнение соотношения
nэфф < nов [7], (1)
где величина эффективного показателя преломления nэфф может быть получена расчетным путем из соотношения β = (2π/λ)nэфф [7, 5], где β - - модуль комплексной величины постоянной распространения усиливаемой волны излучения в направлении, вдоль продольной оси, расположенной в активном слое 4, а λ - - длина волны излучения. При выполнении условия (1) усиление направляемых мод в активном слое 4 лазера 1 уменьшается и нарастает интенсивность излучения в виде волн, вытекающих под углом вытекания ϕ к плоскости активного слоя 4, равном "
ϕ = arccos(nэфф/nOB) [7]. (2)
Вывод вытекающего лазерного излучения происходит после по крайней мере одноразового преломления его на оптических гранях 11. Угол преломления выходного излучения на оптической грани 11 равен
δ = arcsin(nOBsinϕ). (3)
При этом авторами [5] (а также [6]) для решения ими поставленной задачи определено, что отношение (nэфф/nОВ) изменяется в диапазоне
0 < (nэфф/nОВ) ≤ 0,9986, (4)
а угол вытекания ϕ при этом лежит в пределах
0 < ϕ ≤ 3o. (5)
Авторами [5] получены следующие основные параметры изготовленного лазера - прототипа [5]: пороговая плотность тока jпор равна 7,7 (кА/см2), пороговый ток Iпор равен 7,0 (А при размере диода: длина LОР, равная 400 мкм, ширина WАО, равная 225 мкм, толщина dОВ, равная 100 мкм (до 200 мкм); угол вытекания ϕ равен 3,0o, угол падения порядка 10,5o, выходная мощность в коротком импульсе порядка 3 Вт, дифференциальная эффективность порядка 35...40%, расходимость в вертикальной плоскости для выводимого через оптическую грань 11 лазерного излучения была равной приблизительно 2o (вертикальной плоскостью нами определена плоскость, проходящая через продольную ось оптического резонатора и активной области и перпендикулярная активному слою).
Достоинством прототипа является малая расходимость для выводимого через оптическую грань вытекающего излучения, возможность получения высоких мощностей и низкая плотность излучения на выводящей поверхности оптической грани, обусловленные распределенным выводом излучения по всей длине активного слоя.
Однако прототипу присущи значительные недостатки: высокие значения пороговой плотности тока, которые по крайней мере были вдвое выше, в сравнении с обычными без вытекания лазерными диодами [5], и очень близкие значения (nэфф/nОВ) до 0,9986, определившие малый диапазон используемых углов вытекания ϕ, в пределах более нуля и не более 3o [5]. Кроме того, выбор материалов для области вывода с большим коэффициентом поглощения излучения (порядка 30 см-1, см.[6]), большая толщина активного слоя 4 (0,1...2,0 мкм), и конструкция лазера, в частности, выбор угла наклона ψ, равного нулю, ограничения, накладываемые выбором показателя преломления nОВ области вывода 9 превышающим показатель преломления nОгС, смежного с ней ограничительного слоя 6, - все это, в совокупности с высокой пороговой плотностью тока, не позволяет увеличивать длину оптического резонатора, ограничивает эффективность, выходную мощность излучения и расходимость излучения известных лазеров [5].
Технической задачей настоящего изобретения является снижение пороговой плотности тока, дальнейшее уменьшение астигматизма и угла расходимости в вертикальной плоскости, расширение диапазона различных направлений вывода лазерного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины оптического резонатора, что в совокупности приводит к повышению мощности, эффективности, яркости выходного излучения инжекционного лазера, срока службы и надежности его работы, при сохранении технологичности его изготовления.
Предложен инжекционный лазер, в котором в лазерную гетероструктуру введены две совокупности слоев Ii и IIj, где i=1, 2,...k и j=1, 2,...m, определены как целые числа, означающие порядковый номер слоев, исчисляемый от активного слоя, соответственно, с показателями преломления nIi и nIIj, меньшими na, каждая содержащая по крайней мере по два слоя, помещенные, соответственно, на первой и противоположной второй поверхностях активного слоя, средство вывода излучения сформировано в виде совокупности слоев и области вывода, последняя выполнена по крайней мере из одной части, шириной WОВ, мкм, не менее WАО, мкм, при этом совокупность, состоящая из лазерной гетероструктуры и присоединенной области вывода излучения, и область вывода излучения охарактеризованы следующими соотношениями показателей преломления nэфф и nОВ, длины LОР и толщины dОВ:
arccos(nэфф/nОВ) ≤ arccos(nэффmin/nОВ),
при nэффmin больше nmin,
где nэффmin - минимальное значение nэфф из всех возможных nэфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур с областями вывода излучения,
nmin - наименьший из показателей преломления nIi, nIIj.
В преимущественных случаях исполнения устройства область вывода излучения выполняют из полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны EОВ, эВ, превышающей Ea.
Для увеличения мощности и яркости выходного излучения, а также эффективности и надежности работы инжекционного лазера, целесообразно по крайней мере в одной из совокупностей слоев лазерной гетероструктуры выполнить по крайней мере один слой с показателем преломления не менее nОВ.
Для снижения потерь, связанных с растеканием инжекционных токов, а также получения дифракционно-ограниченной расходимости выходного излучения в плоскости, параллельной слоям лазерной гетероструктуры, активную область выполняют полосковой.
Для увеличения мощности, выходящей из области вывода, на оба отражателя оптического резонатора помещены отражающие покрытия с коэффициентом отражения, близким к единице.
Для случая подложки, в которой отсутствует краевое (межзонное) поглощение лазерного излучения, областью вывода излучения может являться подложка.
В случае выполнения омических контактов на внешней поверхности области вывода излучения последнюю следует выполнять электропроводной.
В другом случае для увеличения выходной мощности область вывода излучения следует выполнять из материала, имеющего коэффициент поглощения αOB менее 0,3 см-1. При этом омический контакт со стороны области вывода излучения может быть сформирован либо на последнем слое из совокупности слоев, входящей в средство вывода излучения, либо к слою совокупности, входящей в средство вывода излучения, имеющего наименьшее значение ширины запрещенной зоны среди слоев указанной совокупности и выполненному электропроводным. Кроме того, для упрощения технологии изготовления при области вывода излучения, имеющей коэффициент поглощения αOB менее 0,3 см-1, целесообразно ее поверхностную часть толщиной 0,3 мкм и не более ширины WАО, граничащую с последним слоем совокупности, входящей в средство вывода излучения, выполнять электропроводной, и к ней формировать омический контакт.
Возможны различные модификации конструкции области вывода излучения.
В одном случае для получения выходного луча в направлении, перпендикулярном выводящей грани, предложено по крайней мере одну плоскость оптической грани выполнять под углом наклона ψ, равным arccos (nэфф/nОВ), при этом длину LОВВ выбирать более длины LОВН, а выводящую поверхность помещать на указанной оптической грани.
Для получения одностороннего излучения другую плоскость оптической грани следует располагать перпендикулярно продольной оси оптического резонатора и на ней формировать отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, а толщину dОВ области вывода выбрать не менее
dОВ ≥ (LОР + LОВВ) • tg [arccos(nэфф/nОВ)]/[1 + tg2 (arccos (nэфф/nОВ))] .
Для получения двустороннего излучения обе плоскости оптической грани с выводящими поверхностями следует помещать под равными углами наклона ψ.
Дополнительно для снижения пороговых потерь, а, следовательно, для увеличения эффективности и выходной мощности предложено отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, формировать по крайней мере на одной помещенной под указанным ранее углом наклонах ψ оптической грани, со стороны ее границы с лазерной гетероструктурой на расстоянии, равном
LОВВ • sin [arccos( nэфф/nОВ)].
Кроме того, для упрощения технологии изготовления по сравнению с предшествующими случаями и уменьшения пороговых потерь для случая LОВВ меньше LОВН предложено плоскость по крайней мере одного отражателя оптического резонатора со стороны оптической грани с выводящей поверхностью помещать под тем же углом наклона ψ, что и плоскость указанной оптической грани.
В другом случае предложено плоскости оптических граней помещать перпендикулярно продольной оси оптического резонатора, длину LОВВ выбрать равной длине LOBH; выводящую поверхность помещать по крайней мере на одной оптической грани, при этом лазерная гетероструктура с присоединенной областью вывода излучения будут охарактеризованы следующими соотношениями показателей преломления nэфф и nОВ.
arccos(nэфф/nОВ) < arccos(1/nОВ).
Для случая с двухсторонним выводом на обеих оптических гранях с выводящими поверхностями следует выполнять просветляющие покрытия, а толщину dОВ выбирать не менее
dОВ ≥ LOP • tg [arccos (nэфф/nОВ)].
Для случая с односторонним выводом для уменьшения потерь при отражении от одной неизлучающей оптической грани следует выполнять на одной из оптических граней отражающие покрытия с коэффициентом отражения, близким к единице, на другой, являющейся выводящей поверхностью, формировать просветляющее покрытие, при этом толщину dОВ выбирать не менее
dОВ ≥ 2LОР • tg [arccos(nэфф/nОВ].
Для обеспечения вывода излучения через наружную поверхность области вывода предложено по крайней мере одну плоскость оптической грани выполнять под углом наклона ϕ, выбираемом в диапазоне
при этом длину LОВВ следует выбирать менее длины LОВН, выводящую поверхность с выполненными на ней просветляющими покрытиями размещать на наружной поверхности области вывода.
Для получения однолучевого излучения предложено другую плоскость оптической грани располагать перпендикулярно продольной оси оптического резонатора, а толщину dОВ выбирать не менее
dОВ ≥ (LОР + LOBB) • tg [arccos(nэфф/nОВ)].
Для получения двулучевого излучения предложено плоскости обеих оптических граней помещать под указанным углом наклона ψ, а толщину dОВ выбирать не менее
dОВ ≥ 0,5 • (LОР + LOBB) • tg [arccos (nэфф/nОВ)]/[1 - tg[arccos (nэфф/nОВ)]].
Для однолучевого либо двулучевого вывода излучения перпендикулярно к выводящей плоскости угол наклона ψ оптической грани области вывода выбирают равным
Для увеличения выходной мощности излучения путем снижения пороговых потерь предложено на наружной поверхности области вывода либо на площади проекции одной из оптических граней формировать отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, либо на 0,4...0,6 площади проекции оптической грани формировать отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, а на остальной части площади проекции выполнять выводящую поверхность.
Существом настоящего изобретения являются введенные нами неочевидные диапазоны изменения составов и толщин слоев всей гетероструктуры, в том числе активного слоя, совокупности слоев, являющиеся множеством ограничительных слоев, причем по крайней мере одна из таких совокупностей слоев входит составной частью в средство вывода и граничит с областью вывода, предложен расширенный диапазон углов вытекания ϕ, оригинальны конструкции области вывода вытекающего излучения и сформированного средства вывода излучения с введением наклонных оптических граней с заданными диапазонами углов наклона ψ, ширина области вывода выбрана не менее ширины активной области. Вся совокупность существенных признаков предложенного устройства обеспечивает такие условия для вывода вытекающих мод из активной области, при которых значительно снижены величина порогового тока и увеличена эффективная длина оптического резонатора при повышенных выходной мощности, яркости, при дальнейшем снижении астигматизма и угла расходимости, а также расширении диапазона изменений направления выходного излучения.
Настоящее изобретение будет понятно из фиг. 2-15.
На фиг. 2-10 схематично изображены продольные (вдоль оси оптического резонатора) сечения различных конструкций предлагаемого инжекционного лазера, а именно,
на фиг. 2-4 - с односторонним выводом излучения и длиной LОВВ большей длины LОВН области вывода, а также
на фиг. 2 - с плоскостями отражателей оптического резонатора, перпендикулярными его продольной оси,
на фиг.3 - с одной плоскостью отражателя оптического резонатора, перпендикулярной его продольной оси, а другой наклонной, продолжающей плоскость оптической грани с выводящей поверхностью,
на фиг. 4 - с плоскостями отражателей оптического резонатора, продолжающими плоскости наклонных оптических граней,
на фиг. 5-7 - с длиной LОВВ меньшей длины LOBH и с плоскостями отражателей оптического резонатора, перпендикулярными его продольной оси, а также
на фиг. 5 - с двумя наклонными оптическими гранями и двухлучевым выводом излучения,
на фиг. 6 - с одной наклонной оптической гранью и однолучевым выводом излучения,
на фиг. 7 - с двумя наклонными оптическими гранями и однолучевым выводом излучения;
на фиг. 8-10 - с плоскостями отражателей оптического резонатора и оптическими гранями области вывода, перпендикулярными продольной оси оптического резонатора, а также
на фиг. 8 - с двусторонним выводом излучения,
на фиг. 9 - с длиной LОВВ большей длины LОР, однократным отражением в области вывода и с односторонним выводом излучения,
на фиг. 10 - с двукратным отражением в области вывода и с односторонним выводом излучения.
На фиг. 11 схематично изображено сечение вдоль продольной оси оптического резонатора конкретной гетероструктуры (в соответствии с примерами 1 - 4 предложенного инжекционного лазера).
На фиг. 12 схематично изображено изменение коэффициента преломления по сечению гетероструктуры, изображенного на фиг. 11.
На фиг. 13 - 15 схематично изображены поперечные сечения конструкции предлагаемого инжекционного лазера в соответствии с фиг.2-10, при различных вариантах выполнения омического контакта со стороны размещения средства вывода излучения, а именно,
на фиг. 13 - на наружной поверхности области вывода излучения, т.е. на подложке или полупроводниковом слое,
на фиг. 14 - на электропроводном слое, имеющем наименьшее значение ширины запрещенной зоны среди совокупности слоев, примыкающих к области вывода излучения,
на фиг. 15 - на электропроводной внутренней поверхности области вывода излучения, граничащей с лазерной гетероструктурой.
На фиг. 16 графически изображено распределение выходного излучения в дальнем поле предложенного инжекционного лазера, для конструкций в соответствии с фиг.8-10.
Предложенный инжекционный лазер 1 (см. фиг.2) состоит из подложки 2, лазерной гетероструктуры 3, содержащей активный слой 4, помещенный между совокупностями 5 и 6, соответственно, слоев Ii и IIj. С торцевых сторон лазерная гетероструктура 3 ограничена зеркальными отражателями 7 с отражающими покрытиями 8, определяющими длину LОР оптического резонатора Фабри-Перо, аналогично устройству прототипа [5]. На удаленной от активного слоя 4 поверхности слоев IIm совокупности 6 помещена полупроводниковая область вывода излучения 9 с выводящей поверхностью 10, расположенной на одной из оптических граней 11 области вывода 9. Совокупность 6 слоев IIj и полупроводниковая область вывода излучения 9 составляют средство вывода излучения 12. Область вывода 9 имеет продольное сечение, схематично изображенное на фиг.2. Она выполнена с внутренней поверхностью 13 продольной длины LOBB большей продольной длины LOBH противолежащей наружной поверхности 14. На фиг.2, а также последующих фиг. 3 - 10 условными линиями со стрелочками изображены направления вытекающего излучения под углом вытекания ϕ внутри области вывода 9 и выходного излучения вне области вывода 9. Плоскость оптической грани 11 с выводящей поверхностью 10 отклонена на угол наклона ψ от плоскости, перпендикулярной к продольной оси оптического резонатора, далее перпендикулярной плоскости, причем угол наклона ψ направлен внутрь по отношению к последней, т.е. угол наклона ψ по абсолютной величине превышает нуль градусов. На рассматриваемую оптическую грань 11 нанесено просветляющее покрытие 15. Плоскость противоположной оптической грани 11 является продолжением плоскости одного из отражателей 7 и на нее нанесено отражающее покрытие 8. На поверхности совокупности 5 слоев Ik лазерной гетероструктуры 3 помещен контактный слой 16 и на нем сформирован омический контакт 17. С противоположной стороны на наружной поверхности 14 области вывода излучения 9 (в данном случае на поверхности подложки 2) выполнен омический контакт 18.
Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.3, отличается от конструкции, изображенной на фиг.2, тем, что плоскость отражателя 7 оптического резонатора со стороны оптической грани 11 с выводящей поверхностью 10 является продолжением плоскости указанной оптической грани 11.
Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.4, отличается от конструкции, изображенной на фиг.2, тем, что плоскости обеих оптических граней 11 помещены под углом наклона ψ к плоскости, перпендикулярной к продольной оси оптического резонатора, с вершинами углов на внутренней поверхности 13, направленных внутрь по отношению к последней. При этом на один торец прибора нанесено просветляющее покрытие 15, а на другой торец - отражающее 8.
Конструкция лазера 1, изображенного на фиг. 5, отличается от конструкции, изображенной на фиг.4, тем, что внутренняя поверхность области вывода 9 выполнена длиной LOBB меньшей длины LOBH ее наружной поверхности 14. Иначе, плоскости обеих оптических граней 11 помещены под углами наклона ψ к перпендикулярной плоскости, направленными наружу по отношению к последней, с вершинами углов ψ , расположенными на внутренней поверхности 13, и в данном случае выбранными в диапазоне, определяемом
Далее отличие заключается в том, что выводящие поверхности 10 расположены на наружной поверхности 14 в областях проекций на нее оптических граней 11.
Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.6, отличается от конструкции, изображенной на фиг. 5, тем, что одна оптическая грань 11 является продолжением отражателя 7 оптического резонатора, а другая помещена под углом наклона ψ, выбранным равным
при этом выводящая поверхность 10 расположена в месте проекции наклонной оптической грани 11 на наружную поверхность 14 области вывода 9.
Конструкция лазера 1, изображенного на фиг. 7, отличается от конструкции, изображенной на фиг. 6, только тем, что на одну из выводящих поверхностей 10 нанесено отражающее покрытие 8.
Конструкции лазера 1, изображенные на фиг. 8 - 10, имеют отличия от конструкции лазера прототипа, изображенного на фиг. 1. Для конструкции, изображенной на фиг. 10, толщина dОВ области вывода 9 излучения превышает более чем в два раза апертуру выходного излучения прототипа. Кроме того, на оптической грани 11 со стороны вывода излучения на площади WAO•LOP•tgϕ, смежной с внутренней поверхностью нанесено отражающее покрытие 8. Для конструкций, изображенных на фиг. 8 и 9, длины LОВВ и LОВН превышают длину LОР. На фиг. 8 - 10, также как на фиг.1 (см. [5]), изображено, что направление выходного излучения составляет с нормалью выводящей плоскости 10 угол преломления δ (3).
Конкретный вариант лазерной гетероструктуры 3, схематично изображенной на фиг. 11, содержит слои 1; совокупности 5: 19 - 21, где слой 19 - внешний, граничащий с контактным слоем 16; подслои активного слоя 4: 22-24; слои IIj совокупности 6: 25- 27, где слой 27 -внешний, граничащий с областью вывода 9. Слои 25-27 и область вывода 9 образуют средство вывода излучения 12.
На фиг. 13 - 15 изображены конструкции лазеров 1 с различными вариантами омических контактов. Мезаполоска 28, формирующая полосковую активную область, ограничена с боковых сторон барьерными областями/слоями 29. Омический контакт 17 помещен на контактном слое 16, а омический контакт 18, в соответствии с фиг. 13, размещен на наружной поверхности 14 области вывода 9.
Для случаев, изображенных на фиг. 14 и фиг. 15, предложены варианты изготовления планарных омических контактов при выполнении всей или части области вывода 9 из полуизолирующего материала.
Для случая, в соответствии с фиг. 14, омический контакт 18 выполнен на слое 26, обладающим наименьшей шириной запрещенной зоны среди подслоев ограничительного слоя 6 (см. фиг.11).
Для случая, в соответствии с фиг. 15, область вывода 9 состоит из двух частей в виде слоев, а именно, одного электропроводного слоя 30, примыкающего внешнему слою 27 совокупности 6, и другого, очень слабо поглощающего излучение, полуизолирующего слоя 31 области вывода 9. Омический контакт 18 выполнен к слою 30.
Предлагаемое устройство работает аналогично устройству прототипа [5], т. е. при подключении к источнику питания предлагаемого устройства вывод генерируемого в объеме лазера 1 излучения осуществляется через область вывода 9 излучения в средстве вывода излучения 12. Выводящая поверхность 10 помещена либо на оптические грани 11, либо на наружной поверхности 14 области вывода 9. Отметим, что выводящая поверхность 10 может быть выполнена как плоской, так и требуемой конфигурации, например, сферической, цилиндрической, а отражатели 7 (зеркальные, либо с распределенным брегговским отражением, либо с распределенной обратной связью) оптического резонатора могут быть выполнены с коэффициентом отражения, близким к единице.
Отличие предложенных лазеров 1 состоит в существенных конструктивных особенностях всей лазерной гетероструктуры 3 и средства вывода 12, в частности, области вывода 9 излучения, оказывающих влияние на особенности функционирования и получаемые выходные характеристики инжекционных лазеров 1.
В отличие от [5] , в которых лазерная гетероструктура 3 содержит два оптически однородных (по одному с каждой стороны от активного слоя 4) ограничительных слоя 5 и 6, в предложенных лазерах 1 выбраны лазерные гетероструктуры 3, в которых с каждой стороны активного слоя выполнено по совокупности I и II, в своем составе содержащих не менее двух (два и более) слоев Ii и IIj, где i = 1, 2, 3...k, j = 1, 2, 3,...m целые числа, отсчитываемые от активного слоя 4, т.е. являющиеся множеством ограничительных слоев. Заметим, что используемые градиентные слои внутри совокупностей I и/или II слоев (см. , например, [1]) рассматриваются нами как конечное число слоев совокупностей I и/или II с соответствующими nIi и nIIj, полученными разбиением каждого градиентного слоя. В отличие от [5], где рассматриваются структуры с одним либо двойным ограничением (ОГС либо ДГС) с диапазоном толщин da активного слоя 4, определенным от 0,1 до 2,0 мкм, нами выбраны структуры, в том числе с квантово-размерными ямами в активном слое 4 (см. примеры конкретного применения), при которых лазерная гетероструктура 3 будет устойчиво функционировать. При этом толщины da активного слоя 4 могут быть как меньше толщин da диапазона, указанного в устройстве прототипа [5], так и соответствовать ему.
В известных лазерах 1 [5, 6] существует жесткое ограничение на режим вытекающего излучения, определяемое особенностями структур, используемых в [5, 6]. Это ограничение состоит в том, что диапазон изменения угла вытекания ϕ находится в пределах от нуля до 3o [см. (5)]. Это связано с тем, что величина эффективного показателя преломления nэфф лишь незначительно [отношение nэфф к nОВ составляет не менее 0,9986 - см. (4)] превышает величину показателя преломления nОВ области вывода излучения [5, 6].
В предложенных нами конструкциях инжекционных лазеров реализуется режим вытекающего излучения для значительно более широкого диапазона углов, вытекание ϕ и, соответственно, отношений (nэфф/nОВ). Верхнюю границу рассматриваемых углов вытекания ϕmax предложено определять соотношениями:
arccos(nэфф/nOB) ≤ arccos(nэффmin/nOB) = ϕmax, (6)
при nэффmin < nmin, (7)
где nэффmin - минимальное значение nэфф из всех возможных nэфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур 3 с областями вывода 9 излучения, а nmin - наименьший из показателей преломления nIi, nIIj. В соответствии с этим диапазон изменения угла вытекания ϕ определен нами в пределах
ϕ ≤ ϕmax = arccos(nэффmin/nOB), (8)
при nэффmin < nmin.
Численными расчетами для лазерных гетероструктур 3, например, на основе используемых соединений InGaAs/GaAs/AlGaAs, излучающих на длине волны 0,92-1,16 мкм, предельный угол вытекания ϕmax примерно равен 30o. Анализ, проведенный нами на основании численных расчетов лазерных гетероструектур с различными углами для вытекающего излучения, позволил заключить, что с возрастанием угла вытекания ϕ происходит существенное уменьшение пороговой плотности тока - одного из важнейших фундаментальных параметров инжекционных лазеров.
Пороговые плотности токов для предложенных лазеров при достаточно больших значениях угла вытекания ϕ могут быть получены меньше, не только по сравнению с пороговыми токами лазера прототипа с малым углом вытекания ϕ [5, 6], но и по сравнению с пороговыми токами современных инжекционных лазеров с квантово-размерными активными слоями, например в [1]. Это связано с тем, что в предложенных лазерах лазерное излучение из активной области через отражатели оптического резонатора не выводится, в то время как для обычных лазеров необходим контроль угла расходимости θL-AO в вертикальной плоскости лазерного излучения, выходящего через отражатели оптического резонатора. В современных лазерах этот угол обычно не более 25o-30o и часто решается задача уменьшения указанного угла расходимости. Это неизбежно приводило к увеличению пороговых плотностей тока. В силу отсутствия излучения через отражатели оптического резонатора для предложенных нами лазеров можно формировать лазерную гетероструктуру с большими значениями угла расходимости θL (например, более 80o). В этом случае единовременно с увеличением угла вытекания ϕ заметно возрастает коэффициент локализации Г оптического излучения в активной области, что приводит к дополнительному снижению пороговой плотности тока в предложенных лазерах (см., например, [8]).
Вся введенная нами совокупность существенных признаков предложенного лазера 1 позволяет не только уменьшать пороговые плотности токов, но получить значительно большее, чем в устройстве прототипа [5], увеличение линейного размера апертуры лазерного излучения на оптической грани 11 в вертикальной плоскости, и, как следствие этого, большее уменьшение угла расходимости θL, астигматизма и плотности выходного излучения на выводящей поверхности.
Для конструкции лазера 1 с оптическими гранями 11, параллельными перпендикулярной плоскости [см. фиг.8, 9], линейный размер указанной апертуры на оптической грани 11 равен
dAп = LOP•tgϕ.(9)
Однако после выхода вытекающего излучения из области вывода 9 соответствующая апертура преломленного выходного луча определяется выражением
dВыхAп = dAп•cosδ, (10)
где угол преломления ε равен
δ = arcsin(nOB•sinϕ). (11)
Поэтому, с увеличением угла вытекания ϕ одновременно с увеличением dАп начинает уменьшаться отношение (dВыхАп к dАп и при приближении значения угла вытекания ϕ к углу полного внутреннего отражения σ, который меньше ϕmax и равен
(12)
апертура dВыхАп стремится к нулю и выходное лазерное излучение отсутствует.
Для увеличения размера выходной апертуры лазерного излучения в указанном направлении, а, следовательно, снижения астигматизма и расходимости с одновременным уменьшением пороговой плотности тока во всем диапазоне значений углов вытекания ϕ [см.(9)] нами предложено оптические грани 11 области вывода излучения выполнять наклонными с дополнительно выбранными диапазонами изменений углов наклона ψ, превышающими по абсолютной величине нуль градусов, иначе, более нуля как при повороте оптических граней 11 внутрь, так и наружу по отношению к расположению активного слоя 4.
При угле наклона ψ, равном углу вытекания ϕ (см. фиг.2-4), падение вытекающего излучения на оптическую грань будет нормальным и во всем предложенном нами диапазоне углов вытекания ϕ [см. (9)] с увеличением угла вытекания ϕ выходная апертура (dВыхАп будет расти в соответствии с соотношением
dВыхAп = LOP•sinϕ, (13)
в отличие от случая, описываемого (11), (12), из прототипа [5].
Минимальное значение толщины dОВ области вывода 9 излучения должно быть при этом не менее
dOBмин = LOP[tgϕ/(1+tg2ϕ)]. (14)
Соответственно, с увеличением угла вытекания ϕ угол расходимости θL выходного излучения в вертикальной плоскости (для оптически однородной области вывода излучения будет уменьшаться обратно пропорционально dВыхАп, а именно:
θL ≅ (λ/LOP•sinϕ). (15)
В предложенном конструктивном исполнении (см. фиг.2-4) выходное лазерное излучение из области вывода 9 излучения по отношению к плоскости активного слоя при этом будет направлено под углом, равным углу вытекания ϕ .
Аналогичные закономерности для всего диапазона углов ϕ (см. фиг. 5-7) также сохраняются и для другого предложенного нами угла наклона ψ оптической грани 11 области вывода 9 излучения, а именно равном (π/4)-(ϕ-2). В этом конструктивном исполнении области вывода излучения вывод лазерного излучения из активного слоя будет осуществлен под прямым углом к продольной оси оптического резонатора.
Другое отличие предложенных инжекционных лазеров состоит в возможности существенного увеличения эффективной длины оптического резонатора, а именно, возможности достижения высокой эффективности предложенных лазеров 1 при больших длинах оптического резонатора. Естественно, что поскольку вытекающее лазерное излучение в процессе его вывода распространяется в область вывода 9, то необходимо, чтобы последняя была прозрачна для выводимого лазерного излучения или поглощение лазерного излучения в ней было мало, а именно, коэффициент поглощения выводимого лазерного излучения
αOB ≪ (1/LOP). 16
Очевидно, что для обеспечения этого в случае выполнения области вывода 9 излучения из полупроводникового материала необходимо, чтобы его ширина запрещенной зоны EОВ была больше ширины запрещенной зоны Ea активного слоя 4, т.е.
EОВ > Ea (17)
Ширина запрещенной зоны Eа определяет значение длины волны λ генерируемого излучения.
Выяснено, что введение в совокупности I и/или II лазерной гетероструктуры 3 слоев Ii и IIj, с показателями преломления nIi и nIIj, большими или равными nОВ, приводит к тому, что значение nэфф возрастает и, следовательно, угол вытекания ϕ (2) уменьшается. Последнее приводит к возможности увеличения длины LОР оптического резонатора, а следовательно, к получению более высокой мощности излучения от инжекционного лазера 1. Кроме того, при больших длинах LОР снижаются также потери на отражателях 7 оптического резонатора, что оказывает влияние на эффективность инжекционного лазера 1. Длина LОВ области вывода 9 и отношение nэфф/nОВ определяют также оптимальную величину толщины dОВ, которая, для исключения нежелательных потерь лазерного излучения, не должна быть менее
Малые толщины dОВ приводят к экономии материала области вывода 9, однако недостатком таких инжекционных лазеров являются, как указывалось выше, более высокие величины плотностей пороговых токов, и следовательно, повышенные потери на достижение порога генерации.
Также как в прототипе определено, что для исключения возможных потерь излучения из активной области надо иметь для всех предложенных конструкций лазера 1 коэффициенты отражения на отражателях 7 оптического резонатора, близкими к единице. Кроме того, нами дополнительно определено, что ширина WОВ области вывода 9 должна быть не менее ширины WАО активной области, а сама активная область в преимущественных случаях быть полосковой.
Кроме интенсивности вытекающего излучения и угла вытекания ϕ(2), важно контролировать угол падения, под которым вытекающее излучение падает на оптические грани 11. Величины угла вытекания ϕ(2) (2) и угла падения в значительной степени определяют конструкцию лазера 1 и его размеры.
Об условиях получения нормального падения вытекающего излучения на выводящую поверхность 10 было сказано выше. Тем не менее, отметим, что в случае расположения выводящей поверхности 10 на оптической грани 11, нами предложено область вывода 9 выполнять при соблюдении условий: LОВВ больше LОВН и указанную оптическую грань 11 помещать под углом наклона ψ, равном углу вытекания ϕ(3). (см. фиг. 2, 3, 4). В случае расположения выводящей поверхности 10 на наружной поверхности 14 области вывода 9 определено, что ее длина LОВН должна быть больше LОВВ а оптические грани 11 (по крайней мере одна) области вывода 9 направлены под углом наклона ψ, равном (см. фиг.5, 6, 7)
(19)
Нами определено также, что для вывода излучения под произвольным углом к наружной поверхности 14 области вывода 9 угол наклона ψ следует выбирать из диапазона
Вне указанного диапазона для угла наклона ψ лазерное излучение будет испытывать полное внутреннее отражение от выводящей поверхности 10. Особенностями указанных конструкций (см. фиг.5-7) является то, что они при достаточно хорошем просветлении выводящей поверхности 10 имеют малую долю обратно отраженного сигнала. В случае нанесения на части площадей проекций оптических граней 11 на наружную поверхность 14 отражающих покрытий 8, отраженный сигнал будет возвращаться в активную область, приводя к снижению порога генерации. Следует заметить, что в этих случаях наружная поверхность 14, по крайней мере, в областях нанесения отражающих 8 и/или просветляющих 15 покрытий должна быть выполнена оптического качества.
Для конструкций лазера 1 (см. фиг. 8, 9), оптические грани 11 которых расположены параллельно перпендикулярной плоскости, а в отличие от [5], длина LОВВ превышает LОР, лазерное излучение падает на оптическую грань 11 под углом вытекания ϕ и после преломления на ней, выходит под углом преломления δ(3). Выбор длины LОВВ, превышающей LОР, сделан с целью упрощения технологии раздельного нанесения отражающего покрытия 8 на отражатели оптического резонатора и просветляющего покрытия на оптические грани 11.
Та же цель преследуется для конструкции предложенного лазера 1 (см. фиг. 10), в которой отражающее покрытие 8 со стороны вывода лазерного излучения нанесено одновременно на отражатель оптического резонатора и граничащую с ней часть поверхности оптической грани 11. В этом случае в отличие от [5] реализуется неоднократное (в данном случае, двухкратное) прохождение вытекающего излучения в область вывода излучения, прежде чем произойдет его преломление на части оптической грани 11 с просветляющим покрытием и соответствующий вывод из области вывода излучения.
В рассматриваемом случае ввиду ограничения, связанного с полным внутренним отражением (13) на оптических гранях 11 угол вытекания ϕ будет изменяться в меньшем диапазоне:
arccos(nэфф/nОВ) < arcsin(n1/nОВ), (21)
О других недостатках конструкции предложенного инжекционного лазера 1 (см. фиг.8 - 10): уменьшении выходной апертуры при увеличении угла вытекания ϕ и повышении пороговых токах генерации при малых углах вытекания ϕ, было сказано ранее.
Толщины dОВ области вывода 9 для предложенных конструкций (см. фиг.2-10) зависят как от угла вытекания ϕ(2), так и от угла наклона ψ оптической грани 11 (иначе, от длин LОР, LОВВ и LОВН). С учетом рассмотрения хода лучей нами определено, что для лазера 1 в соответствии с определенными пунктами формулы изобретения толщины dОВ области вывода 9 должны быть не меньше:
(к п. 13 Ф.И.) (22)
(к п. 14 Ф.И.) (18)
dOB ≥ LOP•tgϕ (к п. 18 Ф.И.) (23)
dOB ≥ 2LOP•tgϕ (к п. 19 Ф.И.) (24)
dOB ≥ (LOP+LOBB)•tgϕ (к п. 21 Ф.И.) (25)
(к п. 22 Ф.И.) (26)
Как указывалось ранее, при прохождении вытекающего излучения через область вывода 9 возможны потери лазерного излучения [9]. С целью уменьшения поглощения на свободных носителях в области вывода 9 предложено выполнять область вывода 9 из полупроводникового материала с низкой концентрацией носителей, имеющего коэффициент поглощения по крайней мере менее 0,3 см-1. Это позволяет увеличить мощность выходного излучения, но при этом область вывода 9 становится недостаточно проводящей. Поэтому потребовалась разработка, отличных от традиционных [1] (см. фиг. 13), конструкций омического контакта 18 со стороны области вывода 9.
Для полуизолирующей области вывода 9 нами предложено:
- во-первых, (см. фиг. 15) выполнять область вывода 9 излучения из двух частей (30 и 31), имеющих различные проводимости: одну, большую часть 31, с низким коэффициентом поглощения и другую, меньшую 30, сильнолегированную, прилегающую в совокупности II к слою 27 лазерной гетероструктуры 3, входящей в средство вывода излучения 12; при этом омический контакт 18 нами выполнен к указанной электропроводной части 30, толщину которой не целесообразно выполнять более WАО и менее 0,3 мкм; указанный меньший размер электропроводной части 30 является технологическим пределом, обеспечивающим надежный омический контакт 18, с другой стороны, при размере электропроводной части 30, превышающем указанный больший предел диапазона, возрастают потери излучения в области вывода 9 излучения;
- во-вторых (см. фиг. 14), выполнять по крайней мере один из лазерной гетероструктуры 3 из совокупности II слоев, входящей в средство вывода излучения 12, а именно, слой 26 с наименьшим значением ширины запрещенной зоны электропроводным и к нему формировать омический контакт 18;
- в-третьих, выполнять омический контакт 18 к последнему слою из совокупности II слоев лазерной гетероструктуры 3, входящей в средство вывода излучения 12 (на фигурах не изображено).
Эффективность использования предложенных вариантов исполнения омического контакта 18 зависит от ширины WАО полосковой активной области и от значений токов, протекающих через лазер 1.
Совокупность существенных отличительных признаков предложенных лазеров 1 определила их основные достоинства. Одно из них состоит в том, что, в сравнении с устройством прототипа [5], существенно, более чем на порядок снижены пороговые плотности тока генерации лазерного излучения, а в сравнении с устройством аналога [1] - более чем в 2 раза (см. далее пример 2).
Одновременно с этим как при увеличении угла вытекания ϕ, так при изменении угла наклона ψ за счет увеличения размера выходной апертуры лазерного излучения значительно снижены астигматизм и угол расходимости в вертикальной плоскости.
Другим основным достоинством предложенных лазеров является возможность увеличения эффективной длины оптического резонатора до 1 см и более без принципиальных ограничений, имеющих место в обычных лазерах.
Еще одним достоинством предложенных лазеров 1 является увеличение их эффективности в сравнении с устройством прототипа [5], особенно при больших длинах оптического резонатора. С помощью численного расчета нами показано, что в сравнении с устройством прототипа [5] для предложенного нами диапазона углов вытекания ϕ и углов наклона ψ оптических граней 11 наряду со снижением пороговой плотности тока может быть получено увеличение эффективности ηd для предложенных нами лазеров.
Конкретные значения величин внешней дифференциальной эффективности ηd указаны в приведенных ниже примерах исполнения.
Размер ближнего поля dАпL на выводящей поверхности 10 и соответствующий угол дифракционной расходимости θL в плоскости продольного сечения гетероструктуры для выходного вытекающего излучения зависит от типа предложенных конструкций лазера 1. Для предложенных конструкций лазера 1 при LОР = 1•104 мкм величины dАпL и θL могут быть, соответственно, ≈ 1 мм и ≈ 0,3 мрад и менее. Размер ближнего поля dАпW и соответствующий ему угол дифракционной расходимости θW в другом, перпендикулярном к рассмотренному выше, направлении определяются углом дифракционной расходимости θd = λ/(nOB•WAO) Для вытекающего из слоя 27 лазерного излучения и расстояния L, которое оно проходит от слоя 27 до выводящей поверхности. Однако существенное отличие здесь состоит в том, что размеры dАпW и θW зависят не только от конструкций и размеров предложенного лазера 1, но и от режимов его работы. Сказанное выше справедливо только тогда, когда лазер 1 работает в одномодовом режиме, точнее в режиме одной пространственной моды по поперечному индексу. В этом случае эффективный угол расходимости θэфф (см., например, [10]) для рассматриваемых ниже примеров исполнения инжекционного лазера 1 может достигать значений нескольких мрад и менее. При многомодовом режиме работы свойства дифракционно-ограниченного излучения для рассматриваемого направления нарушаются, величина угла θW не зависит от dАпW и он имеет те же значения ≈ 0,2...0,5 рад, что и обычные торцевые инжекционные лазеры [1] в многомодовом режиме работы.
Дополнительными достоинствами предложенного лазера 1 является: возможность получения различных, в том числе перпендикулярного, по отношению к плоскости активного слоя направлений вывода излучения; повышенный срок службы и надежность работы при больших значениях выходной мощности; высокая технологичность его изготовления; сниженное тепловое и омическое сопротивления.
Обращаем внимание, что техническая реализация предложенного лазера 1 основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении типовых инжекционных лазеров и светодиодов. Поэтому считаем, что предлагаемое изобретение обладает промышленной применимостью.
Считаем, что признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем, новизной. Изложенное позволило заключить, что нами решена поставленная техническая задача: снижение пороговой плотности тока, дальнейшее уменьшение астигматизма и угла расходимости в вертикальной плоскости, расширение диапазона различных направлений вывода лазерного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины оптического резонатора, что в совокупности приводит к повышению мощности, эффективности, яркости выходного излучения инжекционного лазера, срока службы и надежности его работы, при сохранении технологичности его изготовления.
Примеры конкретного исполнения.
Пример 1.
Предложенный лазер 1 (см. фиг. 1, 11, 12, 13) с односторонним выводом излучения и нормальным падением излучения на оптическую грань 11 области вывода 9 выполнен в виде определенной конфигурации полупроводникового монокристалла, состоящего из ряда полупроводниковых слоев 16, 19-27, выращенных известным методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке 2 из электропроводящего арсенида галлия. Состав, толщины, показатели преломления, тип и концентрации легирования и соответствующие им коэффициенты поглощения слоев 19 -27 лазерной гетероструктуры 3, контактного слоя 16 и области вывода 9 приведены в таблице. Данная гетероструктура с указанными изменениями была использована в примерах 2-4 предложенного лазера 1. Точности определения параметров: ± 0,5 соответствующих единиц после последнего указанного знака.
Длина волны генерации для данной лазерной гетероструктуры 3 равна 980 нм. Ширина WАО мезаполосковой активной области, ограниченная с боковых сторон барьерными слоями 29 равна 300 мкм. Полная ширина W кристалла лазера 1 равна 1000 мкм. Длина LОР оптического резонатора равна 3000 мкм. Его отражатели 7 выполнены с отражающими покрытиями, имеющими коэффициенты отражения R1 и R2, равные 0,99 и между собой.
Средство вывода излучения 12 выполнено в виде совокупности 6 слоев IIj и области вывода 9 - подложки 2, которой придана определенная форма. Плоскость одной из оптических граней 11 области вывода 9 выполнена как продолжение плоскости одного из отражателей 7 оптического резонатора. На нее нанесено отражающее покрытие 8 с коэффициентом отражения R8, равным 0,99. Другая оптическая грань 11 выполнена с углом наклона ψ, а именно, arccos nэфф/nОВ, равным 18o40' (см. фиг.2). На ней сформирована выводящая поверхность 10 путем нанесения просветляющего покрытия 15 с коэффициентом отражения R15, равным 0,01. Длина LОВВ внутренней поверхности 13 области вывода 9 равна 4000 мкм, а толщина dОВ области вывода 9 равна 1215 мкм.
Известные омические контакты 17 и 18 [11] сформированы, соответственно, к контактному слою 16 p-типа проводимости и к наружной поверхности 14 области вывода 9 (подложке 2) n-типа проводимости. Лазер 1 устанавливали на теплоотводящую металлическую пластину (на фиг.2 не показано) стороной омического контакта 17. К омическим контактам 17 и 18 подавали требуемое питание.
Основные параметры как для лазера 1 по примеру 1, так и для изложенных ниже примеров исполнения, были получены численным моделированием, выполненным по специально разработанной нами программе, в основу которой положен матричный метод [12] решения уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями в многослойных лазерных гетероструктурах. При данных расчетах были приняты следующие исходные параметры:
- коэффициент модового усиления в активном слое 4, необходимый для достижения инверсии, равный 200 см-1,
- коэффициент пропорциональности между модовым усилением и концентрацией инжектированных электронов в активном слое, равный 5 • 10-16 см2,
- время жизни неравновесных электронов в активном слое, равное 1,0 нсек.
Принятые значения параметров являются типичными для рассматриваемой лазерной гетероструктуры 3 на основе InGaAs/GaAs/AlGaAs. При переходе к лазерной гетероструктуре 3 на других соединениях, например GaInPAs/lnP, эти параметры могут измениться.
При расчетах были также приняты типичное значение коэффициента потерь αAO лазерного излучения за счет поглощения и оптического рассеяния в активной области равным 3 см-1 [13], а в соответствии, например, с [13] значение коэффициента поглощения αOB лазерного излучения в области вывода 9 равным 0,1 см-1.
Численным расчетом были получены следующие результаты для лазера 1:
- пороговая плотность тока jпор равна 500,0 А/см2 или 5,0 • 106 А/м2
- эффективный показатель преломления nэфф лазерной гетероструктуры 3 с областью вывода 9 равен 3,3403,
- коэффициент усиления αBИ лазерного вытекающего излучения при вытекании его из слоя 27 в область вывода 9 равен 65 см-1;
- коэффициент потерь лазерного излучения за счет выхода из активной области через отражатели 7 оптического резонатора равен 0,0335 см-1;
- коэффициент потерь лазерного излучения на его вытекание из слоя 19 в контактный слой 16 равен 2 • 10-5 см-1;
- угол вытекания ϕ(2) равен 18o40',
- площадь SАО активной области равна 9 • 10-3 см2 или 9 • 10-7 м2
- пороговый ток Iпор, определяемый как (jпор • SAO) равен 4,5А;
- внешняя дифференциальная эффективность ηd равна 0,9182.
Ближнее поле лазерного излучения на выводящей поверхности 10, расположенной на наклонной оптической грани 11, как определено нами, имеет форму прямоугольника, основание которого размером WАО примерно равном 300 мкм, находится выше границы области вывода 9 с лазерной гетероструктурой 3 на 338 мкм, а высота прямоугольника dАп равна 960 мкм. Площадь ближнего поля лазерного излучения на оптической грани 11 SБП, соответствующая произведению dАп • WАО, равна 2,88 • 10-3 см2, или 2,88 • 10-7 м2. Выходное лазерное излучение направлено под углом, равным углу вытекания ϕ, а именно 18o40' к плоскости активного слоя 4, а его расходимость в дальнем поле в вертикальной плоскости θL равна 1,02 мрад.
Нами также определены:
- коэффициент полезного действия (КПД) ηo лазера 1, без учета потерь на омическом сопротивлении, определяемое ηd•ηпор равно 0,772, где ηпор равно 0,8 и определялось по формуле
ηпор = 1-(Iпор/Iраб);
- выходная мощность Pвых равна 20,9 Вт, при рабочем токе накачки Iраб, равном 22,5 А, которая определена по формуле:
Pвых, Bт = ηo•1,265(B)•Iраб(A).
Из приведенных данных следует, что плотность лазерной мощности Pвых на выводящей поверхности 10 оптической грани 9 области вывода 9 излучения равна 7,2 кВт/см2 или 7,2 • 107 Вт/м2.
Пример 2.
Конструкция лазера 1 (см. фиг.2, 11, 12, 13) по данному примеру 2 отличается от конструкции лазера 1 по примеру 1 тем, что практически при сохранении угла вытекания ϕ, равного 18o20' (при nэфф, равном 3,34145) за счет увеличения толщины слоя 27 до величины 0,441 мкм (см. таблицу) был уменьшен коэффициент αВИ до значения, равного 16,5 см-1 и, тем самым снижена пороговая плотность тока до значения 137 А/см2. Угол наклона ψ оптической грани остался равным углу вытекания, т.е. изменен на 18o20'.
Другие параметры были следующими:
Iпор = 1,23 А; ηd = 0,8330, ηпор = 0,945; ηo = 0,827; Pвых = 21,36 Вт; Pвых = 7,5 кВт/см2 = 7,5 • 107 Вт/м2; dАп = 943 мкм; SБП = 2,83 • 10-3 см2 = 2,83 • 10-7 м2; θL = 1,04 мрад.
Остальные параметры и размеры лазера 1 по примеру 2 практически совпадали с характеристиками лазера 1 по примеру 1.
Пример 3.
Конструкция лазера 1 (см. фиг.2, 11, 12, 13) по данному примеру отличается от конструкции по примеру 1 тем, что в используемой лазерной гетероструктуре 3 при сохранении коэффициента αВИ, равным 65 см-1, был уменьшен угол вытекания ϕ от значений 18o40' до величины 3o50'. Это было достигнуто путем увеличения толщин слоев 21 и 25 лазерной гетероструктуры до 0,8 мкм, увеличения показателя преломления слоев 21, 20, 26, 27, a именно, изменением их состава на материал Al0,2Ga0,8As, а для слоев 26, 27 еще и уменьшением их толщин, соответственно, до значений 0,05 мкм и 0,08 мкм. Ввиду указанных изменений угла вытекания ϕ (2) нами изменены следующие размеры конструкции предложенного лазера 1, рассматриваемого в примере 2:
ψ = = 3o50', dОВ = 270 мкм, dАп = 200 мкм, SБП = 0,6 • 10-3 см2.
Другие параметры были следующими:
ηэфф = 3,5172, jпор = 2138 А/см2, Iпор = 19,24 A, ηпор = 0,145, ηo = 0,139, Pвых = 3,78 Вт, pвых = 6,25 кВт/см2, θL = 4,9 мрад.
Остальные параметры и размеры лазера 1 по примеру 3 практически совпадали с характеристиками лазера 1 по примеру 1.
Пример 4.
Конструкция лазера 1 (см. фиг.2, 11, 12, 13) по данному примеру 4 отличается от конструкции лазера 1 по предыдущему примеру 3 тем, что в используемой лазерной гетероструктуре за счет изменения толщин слоев 26 и 27, соответственно, до значений 0,1 мкм и 0,132 мкм был уменьшен коэффициент αВИ значения, равного 16,5 см-1, и тем самым снижена пороговая плотность тока jпор до значения 516 А/см2.
При этом угол вытекания ϕ был равен 3o40', что очень близко к углу вытекания ϕ, равному 3o50' для конструкции лазера по предыдущему примеру 3. Угол наклона ψ оптической грани 11, соответственно, был выполнен равным углу вытекания ϕ, т.е. 3o40'. Параметры для рассматриваемого лазера 1 по данному примеру были ηd = 0,8321; Iпор = 4,64 А, ηпор 0,7940, ηo = 0,6949, dАп = 192 мкм, SБП = 0,58 • 10-3 см2; Pвых = 19,8 Вт, pвых = 33,8 кВт/см2, θL = 5,1 мрад.
Остальные параметры и размеры предлагаемого рассматриваемого лазера 1 по данному примеру 4 практически совпали с характеристиками лазера по примеру 3.
Таким образом, предложенные лазеры в сравнении с устройством прототипа [5] обеспечивают снижение плотности тока более чем в 50 раз, внешнюю дифференциальную эффективность более чем в 2 раза, угла расходимости выходного излучения в вертикальной плоскости более чем в 30 раз, увеличение эффективной длины оптического резонатора более чем в 6 раз, а выходная мощность лазерного излучения была увеличена более чем в 7 раз.
Одновременно при этом плотность выходной мощности p, Вт/см2, на выводящей поверхности была снижена примерно на порядок, а направление выходного излучения в отличие от прототипа имело в том числе нормальное падение на наклонную оптическую грань области вывода излучения.
Источники информации
1. S. S. Ou, I.I. Yangetal., Electronics Letter (1992), v. 28, N 25, p. 2345-2346.
2. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Sucmatsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, p. 44-45, 393-417.
3. IEEE J. of Quantum Electronics (1993), v. 29, N 6, p. 2052-2057.
4. Electronics Letters (1992), v. 28, N 21, p. 3011-3012.
5. Патент США 4063189, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 H.
6. D. R. Scifres, W Streifer, and R.D. Burnham, Applied Physics Letters (1976), v. 29, N I, p. 23-25.
7. J.K. Buttler, Y. Kressel, and 1. Ladany, IEEE Journ. Quant. Electron. (1975), v. QE-I I, p. 402; Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Sucrnatsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, p. 58-65.
8. Т. M. CocKerill et al" Appl. Phys. Lett. (1991), v. 59, p. 2694-2696.
9. X. Кейси, M. Паниш, Лазеры на гетероструктурах, т.1, М.: Мир, 1981, с. 204-206.
10. L.Galdberg et al., IEEE Journ. of Quant. Electr. (1993), v. 29, N 6, p. 2028-2042.
11. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, p. 344, 518-519.
12. J.Chilwall, I.Hodkinson, Journ. Opt. Soc. Amer., A (1984), v.1, N 7, p. 742-753.
13. D.Z. Garbuzov et al., IEEE Journ. of Quant Electr. (1997), v. 33, N 12, p. 2266-2276.
14. H.C.Huang et al. Journ. Appl. Phys. (1990), v. 6, N 3, p. 1497-1503.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР | 1998 |
|
RU2142665C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ | 1998 |
|
RU2134007C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР | 1996 |
|
RU2109382C1 |
| ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР-УСИЛИТЕЛЬ | 1996 |
|
RU2109381C1 |
| ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР | 2002 |
|
RU2197048C1 |
| ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР | 2005 |
|
RU2300835C2 |
| ИНЖЕКЦИОННЫЙ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ | 1998 |
|
RU2142661C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ | 1996 |
|
RU2110875C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ | 2002 |
|
RU2197047C1 |
| ГЕТЕРОСТРУКТУРА | 2002 |
|
RU2197049C1 |
Использование: в квантовой электронной технике в качестве высокоярких и высокомощных полупроводниковых инжекционных источников излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Сущность изобретения: предложено в инжекционном лазере к последнему слою лазерной гетероструктуры по крайней мере с одной стороны выполнять область вывода излучения с показателем преломления nОВ и толщиной dОВ, при этом совокупность, состоящая из лазерной гетероструктуры и присоединенной области вывода излучения, имеющая эффективный показатель преломления nэфф и область вывода излучения, охарактеризована определенными соотношениями показателей преломления nэфф и nОВ длины LОР оптического резонатора и толщины dОВ, в эти соотношения входят nэфф.min - минимальное значение nэфф из всех возможных nэфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур с областями вывода излучения, nmin - наименьший из показателей преломления nIi слоев, прилегающих с одной стороны к активному слою, и nIIj слоев, прилегающих к активному слою с противоположной стороны. Техническим результатом изобретения является увеличение выходной мощности, яркости выходного излучения, его эффективности, увеличение срока службы и надежности лазера. 24 з.п.ф-лы, 16 ил., 1 табл.
arccos(nэфф/NОВ) ≤ arccos(nэфф,min/nОВ),
при nэфф,min больше nmin,
где nэфф,min - минимальное значение nэфф из всех возможных nэфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур с областями вывода излучения;
nmin - наименьший из показателей преломления nIi nIIj.
14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что обе плоскости оптической грани с выводящими поверхностями помещены под равными углами наклона ψ.
15. Устройство по п.12, или 13, или 14, отличающееся тем, что отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким единице, сформировано на одной оптической грани, помещенной под углом наклона ψ, со стороны ее границы с лазерной гетероструктурой на расстоянии, равном
LОВВ • sin [arccos (nэфф/nОВ)].
arccos(nэфф/nОВ) < arcsin(1/nОВ).
19. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что на одной из оптических граней выполнено отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице, на другой - с выводящей поверхностью - сформировано просветляющее покрытие, при этом толщина dОВ выбрана не менее
20. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающееся тем, что по крайней мере одна плоскость оптической грани выполнена под углом наклона ψ, выбираемым в диапазоне
при этом длина LОВВ выбрана менее длины LОВН, выводящая поверхность с выполненными на ней просветляющими покрытиями размещена на наружной поверхности области вывода.
dОВ ≥ (LОР + LOBB) • tg [arccos( nэфф/nOB)].
23. Устройство по п. 12 или 20, или 21, или 22, отличающееся тем, что угол наклона ψ оптической грани выбран равным 
24. Устройство по п. 22 или 23, отличающееся тем, что на наружной поверхности области вывода на площади проекции одной из оптических граней сформировано отражающее покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице.
| US 4063189 A, 13.12.77 | |||
| US 5101413 A, 31.03.92 | |||
| US 5537433 A, 16.07.96 | |||
| EP 0247267 A1, 02.12.87 | |||
| US 4328469 A, 04.05.82 | |||
| Инжекционный лазер | 1984 |
|
SU1359833A1 |
