ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S5/32 

Область техники
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к инжекционному лазеру с узкой диаграммой направленности вытекающего излучения.

Предшествующий уровень техники
Инжекционные лазеры с вытекающим излучением с узкой диаграммой направленности известны, например, из [1, 2].

Инжекционный лазер в соответствии с [1] выполнен на основе гетероструктуры, в которую входит средство вывода излучения с выводящей поверхностью, сформированное по крайней мере с одной стороны активного слоя. Оно включает один из ограничительных слоев и примыкающую к нему область вывода, в частном случае полупроводниковую подложку, прозрачную для выводимого лазерного излучения. Указанный ограничительный слой выбран тонким, а именно толщиной 0,06. . . 0,5 мкм. Средой оптического резонатора является активный слой.

Инжекционные лазеры, изготовленные из известной гетероструктуры [1], имеют высокие пороговые токи (порядка 7,7 кА/см²) при выходной мощности порядка 3 Вт в коротком импульсе излучения, выходящего под углом как к плоскости оптической грани, так и к плоскости активного слоя, что создает трудности при эксплуатации инжекционных лазеров. Существует ряд ограничений при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является предложенный в [2] инжекционный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания. Инжекционный лазер также включает оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания и по крайней мере из части области усиления.

Такой инжекционный лазер [2] с вытекающим излучением имеет оригинальную конструкцию оптического резонатора, в объем среды которого включен не только активный объем области усиления с интенсивным вытекающим усилением, но и пассивный объем области втекания излучения. Известный инжекционный лазер с известной гетероструктурой [2] содержит активный слой, ограничительные слои и по крайней мере с одной стороны активного слоя область втекания излучения, примыкающую своей внутренней поверхностью к соответствующему ограничительному слою. Все это позволило получить эффективный вывод излучения при выполнении условия вытекания излучения.

Условие вытекания излучения из активного слоя в область втекания излучения выполнено при превышении показателя преломления n_ов области втекания излучения над эффективным показателем преломления n_эф для совокупности, состоящей из лазерной гетероструктуры и присоединенной к ней области втекания излучения. Отражатели оптического резонатора формировали нанесением отражающих покрытий как на оптические грани инжекционного лазера, так и на часть его наружной поверхности области втекания излучения. По крайней мере один из отражателей оптического резонатора был выполнен с коэффициентом отражения, выбранным из диапазона более нуля и менее единицы. При этом для всех конструкций известного инжекционного лазера [2] выходное излучение было наклонным (в том числе перпендикулярным) по отношению к продольной оси инжекционного лазера, лежащей в плоскости активного слоя, в то время как выводные оптические грани были и наклонны, и параллельны, и перпендикулярны по отношению к плоскости активного слоя. В [2] предложены также конструкции инжекционных лазеров с множеством лазерных лучей, в том числе с их автономным включением.

Основными достоинствами инжекционных лазеров [2] является возможность увеличения их эффективности, мощности лазерного излучения, получение малых углов расходимости, увеличение срока службы и надежности работы. В то же время имеются технологические сложности в их изготовлении, особенно при изготовлении наклонных оптических граней. Существует ряд ограничений при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена техническая задача увеличения выходной мощности излучения, эффективности, надежности инжекционного лазера, в том числе одномодового, одночастотного, при уменьшении углов расходимости его выходного излучения, минимизации отклонения его направления от нормали к плоскости оптической грани, уменьшении омических и тепловых сопротивлений, снижении уровня механических напряжений, улучшении распределения ближнего и дальнего поля излучения, температурных зависимостей выходных параметров при суженном спектре выходного излучения и высоких модуляционных характеристиках инжекционного лазера и упрощении технологии его изготовления.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен инжекционный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, и прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньше, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, при этом дополнительной средой оптического резонатора является также по крайней мере часть отражающего слоя, отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, при работе инжекционного лазера для заданных значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбрана не менее ее величины, необходимой для поддержания порога лазерной генерации.

Существенное отличие предложенных инжекционных лазеров (далее "Лазер") состоит в модернизации гетероструктур (далее "ГС"), в комплексном подборе составов, толщин и расположения ее слоев, обеспечивающих работу Лазера в узкой переходной области формирования вытекания излучения из активного слоя.

Предложенный Лазер основан на модернизированной ГС. В такой ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры. В общем случае ГС предложенного Лазера состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть сформированы к р-типа стороне ГС - контактный полупроводниковый слой и к n-типа стороне ГС - буферный слой, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен как одиночным, так в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух его наружных сторон.

При работе предложенного Лазера введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие. Для улучшения выходных параметров полупроводникового инжекционного источника излучения (далее "ИИИ"), а именно Лазера, локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм. Ширина запрещенной зоны Е_gЛ этих слоев значительно превышает ширину запрещенной зоны Е_gAC активного слоя.

При работе предложенного Лазера специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения n_эф к n_вт. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров Лазера (ИИИ) настроечные слои в большинстве модификаций могут выполнятся толщиной не более 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны Е_gH, незначительно превышающей ширину запрещенной Е_gAC активных слоев, и/или из состава, одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров Лазера (ИИИ).

Для работающего Лазера (при выполнении условия вытекания) вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из Лазера (ИИИ). В отличие от этого в [1] и [2] вытекающее излучение через слой втекания выходит напрямую. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления n_отр, меньший, чем эффективный показатель преломления n_эф всей гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания ϕ, равного косинусу отношения n_эф к n_вт, а именно ϕ=cos(n_эф/n_вт), и, следовательно, соотношения n_эф и n_вт, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Поэтому составы и толщины ее слоев подбираются такими, чтобы при работе Лазера вытекание излучения из активного слоя в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства n_эф и n_вт. Если n_эф заметно больше n_вт, то вытекание практически отсутствует и мы имеем обычный торцевой лазер без вытекания, если n_вт заметно больше n_эф, то имеет место очень сильное вытекание и пороговый ток генерации неприемлимо высок. Отметим, что величина n_эф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ГС в работающем устройстве. В связи с этим мы ввели универсальный параметр β, равный отношению n_эф к n_вт, а именно β=(n_эф/n_вт), который характеризует пригодность использования ГС для Лазера. Этот оцененный нами расчетным путем интервал значений β весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Он определяет, что работа Лазера происходит в окрестности переходного процесса вытекания, причем при этом само условие вытекания может и не выполняться, когда β больше 1, или выполняться, когда β меньше 1. Так, для получения низких порогов генерации предложенных Лазеров желательно в области начальных токов иметь значение коэффициента β больше 1 (при этом условие вытекания не выполняется), а для сужения диаграммы направленности излучения, увеличения эффективности, уменьшения плотности излучения на выходной грани и получения других преимуществ в области надпороговых токов желательно иметь значение коэффициента β меньше 1 (при этом условие вытекания выполняется).

Наличие вытекания в таких структурах позволяет решить поставленные задачи. При работе Лазера по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения n_эф к n_вт, определяемые составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбирают из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта.

Предложены модификации, когда при работе Лазера отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от 0,99 до 1,01, а по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения n_эф к n_вт определены из диапазона менее единицы и более 0,99. Могут представлять интерес модификации, в которых при работе Лазера отношения n_эф к n_вт или близки к единице или примерно равны единице.

Следует отметить, что в соответствии с данными работы [3] в обычных инжекционных лазерах α-параметр (равный [-4π•(dn_эф/dN)/λ•(dg/dN)], где λ - длина волны излучения, g - оптическое усиление в активном слое и N - концентрация носителей в нем) увеличивается с увеличением токов, но при наличии даже слабого вытекания излучения из активного слоя он заметно уменьшается. Это означает, что в предложенных Лазерах, отличающихся сильным вытеканием, α-параметр будет иметь малые значения даже при относительно больших токах. Данный факт определяет уменьшение ширины спектральной линии излучения и ее частичного сдвига, улучшение высокочастотных высокоскоростных модуляционных характеристик предложенного Лазера, что имеет большое практическое значение при их применении в современных волоконно-оптических линиях связи.

Избыточное вытекание при повышенных токах может привести к срыву генерации. Чтобы этого не происходило при заданных значениях надпороговых токов, интенсивность локализованного лазерного излучения в активном слое, определяемая составами и толщинами ее слоев, должна быть более ее величины при пороговой плотности тока, необходимой для поддержания лазерной генерации.

Поставленная техническая задача решается также тем, что при работе Лазера для значений плотностей пороговых токов и менее отношения n_эф к n_вт определены из диапазона либо от единицы до единицы плюс дельта, либо от единицы до 1,01. Это определяет получение низкой пороговой плотности тока.

В тех случаях, когда допустимо определенное увеличение плотностей пороговых токов отношения n_эф к n_вт для значений плотностей пороговых токов и менее определены из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта или менее единицы и более 0,99.

Для практических применений часто требуется лазерное излучение с одной пространственной модой. В известных Лазерах с расширенным волноводом [4] уже при превышении его ширины примерно более 1 мкм возникают пространственные моды высоких порядков. Важным отличием предложенных Лазеров является то, что устойчивый контроль нулевой моды в них достижим при больших значениях толщины слоя втекания, вплоть до по крайней мере экспериментально проверенных нами значений, равных 10 мкм. Это существенное отличие объясняется принципиально другим механизмом формирования мод в предложенных нами Лазерах, а именно: индекс (номер) возбуждаемой моды жестко определяется определенным интервалом углов вытекания ϕ, равных косинусу отношения n_эф к n_вт. Поэтому для получения одномодового лазерного излучения в заданном интервале надпороговых токов отношение n_эф к n_вт выбирают из интервала менее единицы и более единицы минус дельта (в ряде случаев - менее единицы и более 0,99), но не менее того значения, при котором разрушается одномодовый режим генерации, или, что тоже самое, в заданном интервале надпороговых токов углы вытекания ϕ, равные косинусам отношений n_эф к n_вт, не должны превышать их величин, выше которых разрушается одномодовый режим работы Лазера.

Для ряда применений требуется одночастотное лазерное излучение с одной пространственной модой. Отличительной особенностью предложенных Лазеров является то, что в них легко можно получить не только одномодовый, но и одночастотный режим генерации лазерного излучения. Для этого нет необходимости вводить сложные селектирующие элементы, достаточно состав и толщины слоев гетероструктуры выбрать таким образом, чтобы в заданных интервалах рабочих токов интенсивность локализованного лазерного излучения в активном слое незначительно превышала ее пороговую величину, а именно на такую величину, при которой условие превышения лазерного излучения над потерями выполняется для одной продольной моды. Поэтому поставленная техническая задача решается тем, что при работе Лазера по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения не превышает ту величину интенсивности, при которой разрушается одночастотный режим работы.

При работе предложенного Лазера за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено примерно по нормали к плоскостям оптических граней и параллельно плоскости активного слоя. Для улучшения выходных параметров Лазера толщину по крайней мере одного слоя втекания выполняют более 1 мкм.

Кроме того, для ряда модификаций толщину слоя втекания d_вт предложено выполнять по крайней мере не более чем удвоенная длина оптического резонатора, умноженная на тангенс угла вытекания ϕ, равного косинусу отношения n_эф к n_вт. Уменьшение толщины слоя втекания позволяет реально выращивать слой втекания в одном процессе вместе с другими слоями ГС Лазера.

Поставленная техническая задача решается тем, что в Лазере оптические грани расположены практически перпендикулярно плоскости активного слоя. Поэтому имеется возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины, при котором сколотые грани практически перпендикулярны плоскости активного слоя ГС Лазера, что значительно упрощает технологический процесс изготовления Лазера и его дальнейшее использование.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность Лазера, слой вытекания, локализующий, настроечный слои выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою вытекания, выполняют нелегированной.

Предложенный Лазер с введенными локализующим и настроечным слоями в ГС позволяет выбрать оптимальный для улучшения параметров Лазера состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Слой втекания должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны Е_gBT слоя втекания отличалась от ширины запрещенной зоны Е_gП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах и в то же время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров Лазера предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура.

В следующем исполнении, позволяющем решать поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания.

В следующей модификации предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления, меньшим, чем n_эф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания для улучшения распределения излучения Лазера в ближнем и дальнем поле.

Для решения той же поставленной технической задачи и для снижения пороговой плотности тока предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать одинаковым по составу со слоем втекания.

Для улучшения параметров Лазера в видимой красной области спектра, изготавливаемых на основе ГС из соединений AlGaInP, предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе этих соединений AlGaInP, а значительно большей толщины слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнять на основе соединений типа AlGaAs.

Поставленная техническая задача решается также тем, что помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровня легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому. Это предложено для увеличения мощности излучения Лазера практически в два раза.

Существом настоящего изобретения является предложенный новый неочевидный Лазер с вовлеченным в лазерную генерацию вытекающим излучением, функционирующий в области переходного режима вытекания, с использованием новой неочевидной модернизированной ГС. В предложенном Лазере за счет введенных функционально новых полупроводниковых слоев с заданными составами, расположениями, толщинами слоев, подслоев ГС контролируются вывод излучения примерно по нормали к сколотым оптическим граням, малый угол расходимости излучения, низкий порог генерации, режим генерации одной пространственной моды, одной продольной частоты. Получены высокая эффективность, малые омические и тепловые сопротивления, низкий уровень механических напряжений, улучшены температурные характеристики основных параметров, а также спектральные и модуляционные характеристики и как следствие этого - высокая мощность при высоком качестве излучения и надежности предложенного Лазера. Упрощена также технология получения гетероструктур и элемента Лазера, которая приближена к технологии изготовления современных инжекционных лазеров.

Технологическая реализация изобретения не представляет трудностей, основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении инжекционных лазеров, и поэтому предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость". Основное отличие при их изготовлении состоит только в других составах и толщинах выращиваемых слоев гетероструктуры.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фиг.1-4.

На фиг. 1 схематически изображено сечение предлагаемого Лазера с двумя разнотолщинными областями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На фиг.2 схематически изображено сечение предлагаемого Лазера с симметрично расположенными двумя областями втекания по обе стороны от активного слоя.

На фиг. 3 схематически изображено сечение предлагаемого Лазера с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания имеют один и тот же состав.

На фиг. 4 схематически изображено сечение предлагаемого Лазера с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания имеют один и тот же состав, а один из отражающих слоев состоит из трех подслоев.

Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций Лазера не являются единственными и предполагают наличие других реализации, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Предложенный Лазер 1 (см. фиг.1) содержит активный слой 2, к которому с обеих сторон примыкают две области втекания 3 и 4. К областям втекания 3 и 4 с обеих внешних по отношению к активному слою 2 сторон примыкают два отражающих слоя 5 и 6. Отражающий слой 6 расположен со стороны подложки 7 n-типа. Области втекания 3 и 4 содержат по одному локализующему слою 8 и 9, примыкающим к активному слою 2 с обеих его противоположных сторон, по одному настроечному слою 10 и 11, примыкающим, соответственно, к локализующим слоям 8 и 9, и по одному слою втекания 12 и 13, примыкающим, соответственно, к настроечным слоям 10 и 11.

Активный слой 2 состоял из пяти подслоев (на чертежах не показаны): два активных подслоя из InGaAs и три барьерных слоя из GaAs стандартных толщин и составов [2]. Длина волны лазерного излучения Лазера 1, выполненного из такой гетероструктуры, равна 980 нм. Локализующие слои 8 и 9 имели одинаковый состав из Al_0,40Ga_0,60As и одинаковую толщину 0,03 мкм. Настроечные слои были выращены из GaAs, толщина слоя 10 была равна 0,3 мкм, а слоя 11 - 0,15 мкм. Слои втекания 12 и 13 были выращены из Al_0,05Ga_0,95As, при этом толщина слоя 12 была равна 1,0 мкм, а слоя 13 - 5,0 мкм. Отражающие слои 5 и 6 имели одинаковый состав из Al_0,09Ga_0,91As и одинаковую толщину 1,0 мкм. Выбранные составы и толщины слоев ГС Лазера 1 обеспечили расчетные значения параметра β равными 1,00015 и 0,99971 соответственно при плотностях токов 50 А/см² и 20000 А/см². Равенство n_эф и n_вт имело место при плотности тока 1200 А/см². Расчетный угол расходимости θ┴ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 9,3^o(по уровню 0,5).

В предложенном Лазере (далее упоминаемые слои на фигурах не указаны) на подложку n-типа и на контактный слой, сформированный с противоположной стороны р-типа, наносили омические слои металлизации. Длина оптического резонатора L_рез выбрана равной 1600 мкм. На сколотые грани 14 нанесены отражающие покрытия 15 и 16 соответственно с коэффициентами отражений R₁, равным 95%, и R₂, равным 5%. Полосковые активные области имели ширину мезаполоски, равную 10 мкм.

В данном Лазере 1 пороговая плотность тока j_пор равна 250 А/см². При всех значениях надпорогового тока (тока, превышающего пороговый ток) локализованное лазерное излучение в активном слое 2, определяемое составами и толщинами слоев гетероструктуры, было не менее ее величины при пороговой плотности тока. При j, равном 1100 А/см², отношение n_эф к n_вт равно 1. При j менее 1100 А/см², в том числе и при j_пор, условие вытекания не выполняется, отношение n_эф к n_вт при этом более единицы, но не более 1,01. Условие вытекания излучения из активного слоя 2 в слои втекания 12 и 13 начинает выполняться в интервале плотностей надпороговых токов j, превышающих 1100 А/см² вплоть до 20000 А/см² и более. Угол вытекания ϕ при этом меняется от 0^o до 1,37^o, что обеспечивает одномодовый режим работы Лазера 1 в указанном интервале от 250 А/см² до 20000 А/см² и более. Известный расчетный коэффициент локализации Г, определяющий долю лазерного излучения, распространяющегося в активном слое, равен 5•10^-5 для плотности тока 20000 А/см². Это более чем в 1000 раз меньше, чем в обычных инжекционных лазерах. Значение α-параметра Лазера 1 имеет величину, примерно близкую к единице (вместо 3... 6 для обычных инжекционных лазеров), что определяет их существенно улучшенные спектральные и модуляционные характеристики. Лазер 1 с таким значением α-параметра предпочтителен для применения в высокоскоростных оптических линиях передачи информации.

Расчетный угол расходимости θ┴ (по уровню 0,5) в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 9,3^o. Дифференциальная эффективность η_d равна 88%. Для одномодового режима работы Лазера 1 при ширине w полоска, равной 10 мкм, мощность излучения Р равна 2 Вт. Рассматриваемый Лазер 1 в связи с низким содержанием алюминия в слоях втекания 12 и 13 и в отражающих слоях 5 и 6 имеет также низкие омические, тепловые сопротивления и упругие механические напряжения.

Следующая модификация Лазера 1 (см. фиг.2) отличалась от предыдущей тем, что в ней толщины слоев втекания 12, 13 и толщины настроечных слоев 10 и 11 были одинаковы и равны соответственно 5 мкм и 0,23 мкм. Для этой модификации Лазера 1 расчетные соотношения n_эф к n_вт при плотностях токов 50 А/см² и 20000 А/см² были соответственно равны 1,00036 и 0,99973. Равенство n_эф и n_вт имело место при плотности тока 2800 А/см². Расчетный угол расходимости θ┴ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 3.9^o(по уровню 0,5). Эта модификация отличается сниженным порогом генерации, высокой мощностью излучения, очень низкими напряжениями в гетероструктуре, очень малым углом расходимости θ┴ в вертикальной плоскости, уменьшающимся с увеличением плотности тока от 8,7^o до 3,7^o (расчетные результаты).

Отличие следующей модификации Лазера 1 (см. фиг.3) от предыдущей состоит в том, что в ней сформирована одна область втекания 4, которая выполнена со стороны подложки. В ней слой втекания 13 выполнен такого же состава, что и локализующий слой 9 и настроечный слой 11, а именно из Al_0,21Ga_0,79As. В этой модификации со стороны р-типа отражающий слой 5 непосредственно граничит с активным слоем 2. Для этой модификации Лазера 1 расчетные соотношения n_эф к n_вт, при плотностях токов 50 А/см² и 20000 А/см² были соответственно равны 0,999912 и 0,999648. Вытекание в такой структуре присутствовало при всех значениях токов, при этом угол вытекания нарастал с током от 0,8^o до 1,5^o. Расчетный угол расходимости θ┴ в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см² равен 11,7^o (по уровню 0,5). Во всем диапазоне допороговых и надпороговых токов этой модификации выполнено условие вытекания, при этом соотношение n_эф/n_вт выбрано менее единицы и более 0,99. Это приводило к некоторому увеличению j_пор, однако в таких структурах за счет увеличения интенсивности вытекающего излучения легче обеспечить одну частоту лазерного излучения. Это достигается контролем такой доли локализованного лазерного излучения в активном слое от полного излучения, распространяемого в гетероструктуре, которая не превышает ее критическую величину, достаточную для разрушения одночастотного режима генерации.

Отличие следующей модификации Лазера 1 (см. фиг.4) от предыдущей состоит в том, что в ней отражающий слой 5 сформирован из трех подслоев: первого подслоя 17, не отличающегося по составу от отражающего слоя 5 в предыдущей модификации и примыкающего к активному слою 2, второго подслоя 18, имеющего тот же состав, что и слой втекания 13, и третьего подслоя 19, имеющего показатель преломления n_отр меньше, а ширину запрещенной зоны E_gO больше, чем в первом подслое 17. Для этой модификации получено снижение j_пор на 50%, уменьшение угла θ┴ до 9,5^o. Возможна другая модификация, в которой отражающий слой, разделенный на три аналогичных подслоя, примыкает своим подслоем 17 к наружной поверхности слоя втекания, параллельной плоскости активного слоя. Здесь также получено снижение расчетного угла расходимости θ┴.
Следующая модификация Лазера 1 с длиной волны лазерного излучения, равной 650 нм, отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней тонкий активный слой 2 выращен из GaInP, тонкие локализующие слои 8 и 9 выращены из AlGaInP, а все остальные толстые слои втекания 12, 13 толщиной соответственно 1,2 мкм и 3,0 мкм, отражательные 5 и 6 и настроечные 10 и 11 выращены из AlGaAs, прозрачного для длины волны 650 нм. Получен Лазер со сниженными омическими и тепловыми сопротивлениями, что дало возможность увеличить мощность излучения в непрерывном режиме работы до 1 Вт.

Следующая модификация Лазера 1 отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней выполнено два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу и поверхностям соединений этих слоев, а именно поверхностям смежных барьерных подслоев, входящих в состав активных слоев. Эти подслои выполнены в данном случае сильнолегированными n- и р-типа слоями. Подслой р-типа размещен со стороны отражающего слоя и подложки n-типа, а слой n-типа - со стороны отражающего слоя р-типа. Такие подслои обеспечивают туннельное протекание тока при работе Лазера 1. В таком Лазере 1 с высокой эффективностью может быть удвоена мощность излучения при том же токе, но при удвоенном приложенном напряжении.

Экспериментально, на образцах инжекционных лазеров, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, нами была получена мощность излучения 2 Вт для длины волны излучения 980 нм, при ширине накачиваемой полосковой области, равной 6 мкм. Пороговый ток был получен равным 25 мА. Одна пространственная мода и одна продольная частота генерации были получены для мощностей более 0,5 Вт. Минимальный угол расходимости θ┴ в вертикальной плоскости был получен равным 6,9^o.

Промышленная применимость
Инжекционные лазеры применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных усилителей и лазеров.

Источники информации
1. Патент 4063189 US, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 Н.

2. Патент 2142665 RU (D-LED, LTD, US) 1998.10.08, Н 01 S 3/19.

3. D. J. Bossert et al. IEEE of Photonics Technology Letters, v.8, No.3 (1996), pp.322-324.

4. D. Z. Garbuzov et al. IEEE J. of Quant. El. (1997), v.33, No.12, pp. 2266-2276.

Использование: в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в медицинской аппаратуре, в конструкциях лазеров. Сущность изобретения: существенное отличие предложенного инжекционного лазера состоит в модернизации его гетероструктуры, в комплексном подборе составов и толщин ее слоев, обеспечивающих ее работу в узкой переходной области формирования вытекания излучения из активного слоя. Технический результат изобретения заключается в увеличении выходной мощности излучения, эффективности, надежности инжекционного лазера, при уменьшении углов расходимости выходного излучения, минимизации отклонения его направления от нормали к плоскости оптической грани, уменьшении омических и тепловых сопротивлений, снижении уровня механических напряжений, в улучшении распределения ближнего и дальнего поля излучения, температурных зависимостей выходных параметров инжекционного лазера и упрощении технологии его изготовления. 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Инжекционный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя, отличающийся тем, что в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньшие, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно, примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, при этом дополнительной средой оптического резонатора является также по крайней мере часть отражающего слоя, отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы, при работе инжекционного лазера для заданных значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбрана не менее ее величины, необходимой для поддержания порога лазерной генерации. 2. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при работе инжекционного лазера отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от 0,99 до 1,01. 3. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при работе инжекционного лазера и по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения n_эф к n_вт определены из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта. 4. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при работе инжекционного лазера по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения n_эф к n_вт определены из диапазона менее единицы и более 0,99. 5. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе, для значений плотностей пороговых токов и менее, отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от единицы до единицы плюс дельта. 6. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе, для значений плотностей пороговых токов и менее, отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от единицы до 1,01. 7. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе, для значений плотностей пороговых токов и менее, отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от единицы до единицы минус дельта. 8. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе, для значений плотностей пороговых токов и менее, отношения n_эф к n_вт определены из диапазона от 0,99 до единицы. 9. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе в заданном интервале надпороговых токов углы вытекания ϕ, равные косинусам отношений n_эф к n_вт, не превышают их величин, выше которых разрушается одномодовый режим работы инжекционного лазера. 10. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что при его работе по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, не превышает ту величину интенсивности, выше которой разрушается одночастотный режим работы. 11. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что слой втекания выполнен толщиной не более удвоенной длины оптического резонатора, умноженной на тангенс угла вытекания, равного косинусу отношения n_эф к n_вт. 12. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что оптические грани расположены перпендикулярно плоскости активного слоя. 13. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что локализующий слой имеет толщину не более 0,05 мкм. 14. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что слои втекания обеих областей втекания имеют одинаковый состав. 15. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что слой втекания, локализующий и настроечный слои выполнены нелегированными. 16. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, выполнена нелегированной. 17. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере один из подслоев отражающего слоя имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания. 18. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что активный слой и локализующий слой выполнены на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнены на основе соединений типа AlGaAs. 19. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа, обеспечивающие при работе прибора туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому. 20. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что ширина запрещенной зоны слоя втекания отличается от ширины запрещенной зоны подложки, на которой выращена гетероструктура, не более чем на 0,25 эВ. 21. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом подложки, на которой выращена гетероструктура. 22. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере один локализующий слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания. 23. Инжекционный лазер по любому из пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере один настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.