ДИОДНЫЙ ЛАЗЕР, ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДИОДНЫЙ ЛАЗЕР И ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H01S5/32 

Область техники

Изобретение относится к ключевым компонентам оптоэлектронной техники -компактным, эффективным и мощным источникам лазерного излучения в широком диапазоне длин волн, с высоким качеством излучения, а именно к диодному (полупроводниковому, инжекционному) лазеру; к интегрально соединенным по оси диодным лазерам (далее интегральный диодный лазер), а также к интегрально соединенным по оси задающему диодному лазеру и полупроводниковому усилительному элементу (далее интегральный полупроводниковый оптический усилитель).

Предшествующий уровень техники

Диодные лазеры с повышенной мощностью излучения и с улучшенным качеством лазерного луча известны из следующих изобретений: [US Patent 4063189, XEROX CORP. (US), 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H], [RU Патент 2197048, ШВЕЙКИН В.И, ГЕЛОВАНИ В.А., 18.02.2002, H01S 5/32].

Наиболее близким по технической сущности и получаемому техническому результату является предложенный в патенте [RU Патент 2278455, ШВЕЙКИН В.И., 17.11.2004, H01S 5/32] инжекционный (далее диодный) лазер-прототип, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Гетероструктура содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированных по крайней мере из одного подслоя и имеющих показатели преломления, меньшие, чем эффективный показатель преломления гетероструктуры n_эф. Также гетероструктура содержит прозрачную для излучения область втекания излучения. Область втекания, по крайней мере одна, расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, по крайней мере с одной стороны активного слоя. Область втекания включает: слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_вт и состоящий по крайней мере из одного подслоя; по крайней мере один локализующий слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя; основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_вт слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою; с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя. Коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых для работающего диодного лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов. Отношение n_эф/n_вт в области пороговых токов лазерной генерации определено из интервала значений от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где величина гамма определяется числом, меньшим дельта. В конструкции инжекционного лазера, рассмотренной в примере, соответствующем фиг.5 (см. [RU Патент 2278455, ШВЕЙКИН В.И. 17.11.2004, H01S 5/32]), активная область с протекающим током при работе диодного лазера выполнена в виде мезаполоски.

Основными достоинствами диодного лазера-прототипа являются увеличение выходной мощности лазерного излучения, увеличение размера излучающей площадки в вертикальной плоскости с соответствующим уменьшением угловой расходимости излучения. В то же время диодный лазер-прототип ограничивает дальнейшее увеличение выходной мощности при одновременном и существенном повышении качества лазерного излучения. Кроме того, известный диодный лазер-прототип не позволяет реализовать интегрально соединенные по оси диодные лазеры - интегральный ДЛ (далее ИДЛ) и интегрально соединенные по оси задающий диодный лазер (далее ЗДЛ) с полупроводниковым усилительным элементом (далее ПУЭ) - интегральный полупроводниковый оптический усилитель (далее ИПОУ).

Аналоги, прототип предложенного интегрального ДЛ не обнаружены.

Интегральный полупроводниковый оптический усилитель с повышенной мощностью излучения и с улучшенным качеством лазерного луча известны из следующих изобретений: [RU Патент 2109381 (заявка 96115454), ШВЕЙКИН В.И., ГУ НИИ «ПОЛЮС» RU, 19.08.1996, H01S 3/19, «Интегральный полупроводниковый лазер - усилитель»], [RU Патент 2134007, ШВЕЙКИН В.И., ГП НИИ «ПОЛЮС» RU, 12.03.1998, H01S 3/19].

Наиболее близким по технической сущности является предложенный в патенте [RU Патент 2134007, ШВЕЙКИН В.И., ГП НИИ «ПОЛЮС» RU, 12.03.1998, H01S 3/19] интегральный полупроводниковый оптический усилитель, включающий интегрально соединенные задающий диодный лазер (далее ЗДЛ) и полупроводниковый усилительный элемент (далее ПУЭ), размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры. Она содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область ввода-вывода, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты. Кроме того, ЗДЛ включает активную область с протекающим током при его работе, ограничительные области излучения с боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели. ПУЭ включает по крайней мере одну область усиления с протекающим током при его работе с просветляющим покрытием на выводной оптической грани.

В работающем усилителе выбраны соответствующими угол ввода δ для вытекающего из активного слоя усиленного излучения, при этом эффективный показатель преломления гетероструктуры n_эфф в совокупности с областью ввода-вывода, прозрачной для излучения, и показатель преломления n_овв упомянутой области ввода-вывода удовлетворяют соотношению

0<arrccos n_эфф/n_овв≤n_эффmin/n_овв, при n_овв больше n_min,

где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур в совокупности с областью ввода-вывода, а n_min - наименьший из показателей преломления полупроводниковых соединений, составляющих гетероструктуру.

Основным достоинством ИПОУ-прототипа являются оригинальность предложенных конструкций интегрально-соединенного ИПОУ с увеличенной мощностью излучения, увеличенными размерами излучающей площадки и соответствующим уменьшением угловой расходимости излучения. Основным недостатком предложенной конструкции является сложность их технологической реализации.

Раскрытие изобретения

Основной технический результат - предложен оригинальный с глухим оптическим резонатором диодный лазер (ГОР-ДЛ), обусловивший реальную возможность изготовления в интегральном виде эффективных источников лазерного излучения, а именно интегрально соединенных по оси два и более диодных лазера, далее интегральный ДЛ (ИДЛ), и интегрально соединенные по оси задающий диодный лазер с полупроводниковым усилительным элементом, далее интегральный полупроводниковый оптический усилитель (ИПОУ).

Техническим результатом предложенного ГОР-ДЛ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.

Техническим результатом предложенного ИДЛ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.

Техническим результатом предложенного ИПОУ является существенное снижение плотности пороговых токов генерации (в два и более раз), увеличение эффективности и мощности лазерного излучения, улучшение стабильности модовой генерации, резкое (на один порядок и более) увеличение прочности глухих отражателей оптического резонатора, реализация вывода лазерного излучения, минуя активный слой, через полупроводниковые широкозонные слои (по отношению к активному слою) с просветленной оптической гранью, создание оптимальных боковых ограничительных областей, что позволило создать для широкого диапазона длин волн мощные, высокоэффективные и надежные, с увеличенным ресурсом работы источники одночастотного, одномодового и многомодового лазерного излучения с высокоскоростной модуляцией лазерного излучения при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен диодный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также активную область с протекающим током при работе диодного лазера, оптические грани, отражатели, оптический резонатор, омический контакт, причем гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, кроме того, имеются ограничительные области излучения, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, со стороны вывода излучения на оптической грани имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, и с той же стороны вывода излучения сформирован с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, отражатель оптического резонатора, примыкающий к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.

Существенное отличие нового предложенного ГОР-ДЛ состоит в оригинальной и необычной предложенной совокупности неочевидного оптического резонатора и неочевидного вывода лазерного излучения. Достижение порога генерации осуществляется в оптическом резонаторе, включающем с обеих сторон отражатели с максимально высоким коэффициентом отражения обоих высокопрочных зеркал (глухой оптический резонатор). Вывод излучения из активного слоя осуществляется через широкозонную (по отношению к ширине запрещенной зоны в активном слое) область втекания видоизмененной гетероструктуры диодного лазера с просветленной (менее 0,01%) оптической гранью. Именно предложенное открыло новые возможности для достижения упомянутого выше технического результата и позволило создать как одноэлементный ГОР-ДЛ, так и изготовленные в интегральном виде указанные выше комбинации: ИДЛ и ИПОУ, состоящий из ЗДЛ и ПУЭ.

Технический результат достигается также тем, что дельта стремится к нулю. Это определяет выбор соответствующей гетероструктуры.

Технический результат достигается также тем, что упомянутый отражатель, сформированный со стороны вывода излучения, размещен примерно от наружного слоя гетероструктуры до примерно слоя втекания гетероструктуры.

В тех случаях, когда вывод лазерного излучения из ГОР-ДЛ осуществляется в одну сторону, с противоположной стороны отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.

Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части ее толщины, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.

Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения при повышенных мощностях излучения.

Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ГОР-ДЛ состоит в неочевидной и эффективной конструкции оптического резонатора и способа вывода лазерного излучения вне оптического резонатора. Необычность конструкции оптического резонатора состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера. Вывод лазерного излучения реализуется в основном из слоя втекания предложенной гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора, через широкозонную область втекания с просветленной оптической гранью.

Технологическая реализация предложенного в настоящем изобретении ГОР-ДЛ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптического резонатора ГОР-ДЛ.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен интегральный диодный лазер, представляющий комбинацию интегрально соединенных диодных лазеров (далее ИДЛ), изготовленных из одной и той же гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также по крайней мере два оптических резонатора и по крайней мере две активные области с протекающим током при работе ИДЛ, расположенные на одной оси, оптические грани, отражатели, омический контакт, причем гетероструктура характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, с обеих сторон от активной области с протекающим током имеются ограничительные области излучения, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, со стороны вывода излучения на оптической грани имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, при этом по крайней мере каждый оптический резонатор ограничен отражателями, имеющими коэффициенты отражения лазерного излучения, близкими к единице и примыкающими к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.

Существенное отличие нового неочевидного предложенного ИДЛ состоит в новом и неочевидном соединении двух глухих оптических резонаторов и интегральной оптической связи их между собой, а также в высокоэффективном выводе излучения. Порог генерации достигается в оптических резонаторах, включающих с обеих сторон отражатели с максимально высоким коэффициентом отражения обоих зеркал. Эффективная и оптимальная интегральная связь оптических резонаторов (без фокусирующей оптики и практически без потерь излучения) осуществляется в основном через область втекания предложенной гетероструктуры. Вывод излучения из ИДЛ реализуется через широкозонную область втекания с практически полностью просветленную (менее 0,01%) оптическую грань с нанесенным антиотражающим покрытием. Именно предложенное открыло новые и неочевидные возможности для достижения упомянутого выше технического результата ИДЛ.

В тех случаях, когда вывод лазерного излучения из ИДЛ осуществляется в одну сторону, с противоположной стороны отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.

Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.

Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения ИДЛ при повышенных мощностях излучения.

Технический результат достигается также тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна активная область, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой под соответствующим углом, причем со стороны, противоположной стороне вывода излучения, в указанной расширяемой активной области начальная часть ее длины выполнена шириной, равной ширине предшествующей активной области. Тогда для указанной расширяемой активной области отражатель со стороны вывода излучения имеет ширину, примерно равную ширине начальной части расширяемой активной области.

Технический результат достигается также тем, что по крайней мере две активные области интегрального диодного лазера имеют автономные омические контакты.

Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ИДЛ состоит в неочевидной и эффективной интегральной связи между диодными лазерами, конструкции их оптических резонаторов и способа вывода лазерного излучения вне оптического резонатора. Необычность конструкции оптического резонатора состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера, а вывод лазерного излучения реализуется в основном из слоя втекания предложенной нами гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора, через практически полностью просветленную оптическую грань (менее 0,01%).

Технологическая реализация предложенного в настоящем изобретении ИДЛ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптических резонаторов диодных лазеров.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен интегральный полупроводниковый оптический усилитель (далее ИПОУ), включающий интегрально соединенные задающий диодный лазер (ЗДЛ) и полупроводниковый усилительный элемент (ПУЭ), размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты, кроме того, ЗДЛ включает активную область с протекающим током при работе задающего диодного лазера, ограничительные области излучения с боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели, а ПУЭ включает по крайней мере одну область усиления с протекающим током при работе ПУЭ с просветляющим покрытием на выводной оптической грани, причем гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем, по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, имеются ограничительные области излучения ЗДЛ, расположенные на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током и проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя и далее вглубь гетероструктуры, оптический резонатор ЗДЛ ограничен отражателями, имеющими коэффициент отражения лазерного излучения, близким к единице, при этом отражатель ЗДЛ, граничащий с активной областью усиления ПУЭ, выполнен примыкающим к активному слою и расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, и просветляющее покрытие на выводной оптической грани ПУЭ выполнено с коэффициентом отражения, близким к нулю.

Существенное отличие нового предложенного ИПОУ состоит в неочевидном интегральном соединении ЗДЛ и ПУЭ и необычном оптическом резонаторе ЗДЛ. Порог генерации ЗДЛ достигается в оптическом резонаторе, оба отражатели которого имеют максимально высокие коэффициенты отражения. Интегральная связь между ЗДЛ и ПУЭ осуществляется без фокусирующей оптики и практически без потерь излучения через широкозонную область втекания предложенной гетероструктуры ЗДЛ и ПУЭ. Вывод излучения из ИПОУ осуществляется через область втекания новой предложенной гетероструктуры с просветленной (менее 0,01%) выводной оптической гранью ПУЭ. Именно предложенное открыло новые возможности для достижения упомянутого выше технического результата ИПОУ.

Технический результат достигается также тем, что с противоположной стороны вывода излучения отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, имеет высоту, равную толщине гетероструктуры.

Технический результат достигается также тем, что антиотражающее покрытие имеется на оптической грани либо на всю толщину гетероструктуры, либо на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.

Технический результат достигается также тем, что заданноуглубленные боковые ограничительные области упомянутой активной области ЗДЛ имеют показатели преломления менее эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры. При этом указанные ограничительные области излучения размещают на определенном расстоянии (микронных размеров) от боковых сторон активной области и на определенной глубине, ниже расположения активного слоя гетероструктуры, в предельных случаях вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры, ближайшего к подложке. Этим достигается улучшение стабильности модовой генерации и, соответственно, увеличение эффективности генерации лазерного излучения ИПОУ при повышенных мощностях излучения.

Технический результат достигается также тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна область усиления ПУЭ, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой под соответствующим углом, причем со стороны, противоположной стороне вывода излучения, в указанной расширяемой области усиления начальная часть ее длины выполнена шириной, примерно равной ширине предшествующей активной области ЗДЛ.

Технический результат достигается также тем, что активная область ЗДЛ и область усиления ПУЭ имеют автономные омические контакты.

Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ИПОУ состоит в неочевидной и эффективной интегральной связи между ЗДЛ и ПУЭ. Необычность оптического резонатора ЗДЛ состоит в том, что оба его отражателя практически полностью отражают излучение, выходящее из активного слоя лазера. Выход лазерного излучения из ЗДЛ в ПУЭ реализуется в основном из слоя втекания новой предложенной гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора. Усиленное излучение выводится через практически полностью просветленную оптическую выводную грань ПУЭ, прилегающую к широкозонным полупроводниковым слоям гетероструктуры.

Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении ИПОУ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и оптического резонатора ЗДЛ.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется фиг.1-8.

На фиг.1 схематически изображено продольное сечение предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора и выводом лазерного излучателя из слоя втекания гетероструктуры через оптическую грань с антиотражающим покрытием.

На фиг.2 схематически изображен вид сверху предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.1.

На фиг.3 схематически изображено продольное сечение предложенного диодного лазера с глухими отражателями оптического резонатора, отличающегося от диодного лазера, схематически изображенного на фиг.1, тем, что выводная грань с антиотражающим покрытием размещена от наружной поверхности гетероструктуры до ее основания.

На фиг.4 схематически изображено продольное сечение предложенного интегрального диодного лазера в виде двух интегрально связанных по оси лазеров, в котором последовательно вдоль оси размещены два оптических резонатора, отражатели которых имеют высокий коэффициент отражения, и соответственно две активные области с протекающим током

На фиг.5 схематически изображен вид сверху интегрального диодного лазера, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.4.

На фиг.6 схематически изображен вид сверху интегрального диодного лазера, продольное сечение которого схематически изображено на фиг.4, в котором часть активной области, прилегающей к выходной оптической грани с антиотражающим покрытием, выполнена расширяемой.

На фиг.7 схематически изображен вид сверху предложенного ИПОУ, включающего ЗДЛ и ПУЭ, в котором часть области усиления ПУЭ, близлежащая к задающему диодному лазеру, имеет ширину, примерно равную ширине полосковой активной области задающего лазера, а часть области усиления ПУЭ, прилегающей к выходной оптической грани с антиотражающим покрытием, выполнена расширяемой.

На фиг.8 схематически изображен вид сверху предложенного ИПОУ, который отличается от схематически изображенного на фиг.7 тем, что задающий диодный лазер интегрально связан с двумя ПУЭ вдоль по оси в двух противоположенных направлениях.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций диодного лазера, интегрального диодного лазера и интегрального полупроводникового оптического усилителя не являются единственными и предполагают наличие других реализации, в том числе в известных диапазонах длин волн, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Предложенный диодный лазер 1 с глухим оптическим резонатором (ГОР-ДЛ) (см. фиг.1-2) содержит на подложке 2 из n-типа GaAs лазерную гетероструктуру на основе соединений InAIGaAs с одним активным слоем 3 из InGaAs. Длина оптического резонатора равна 4 мм. Между активным слоем 3 и ограничительным слоем 4 (со стороны подложки) размещена область втекания, содержащая слой втекания 5 и настроечный слой 6. С противоположной стороны к активному слою примыкает настроечный слой 7, к которому примыкает ограничительный слой 8. Далее к ограничительному слою 8 примыкает полупроводниковый контактный слой 9. Слои металлизации на фигурах не показаны. Фактически совокупность всех слоев гетероструктуры, расположенных между ограничительными слоями 4 и 8, образуют известную волноводную область ДЛ с необычно большой толщиной. Характерным является то, что толщина слоя втекания 5 может иметь размеры примерно в пределах от 2 мкм до 10 мкм и более, а толщины слоев настроечных слоев 6 и 7 примерно от 0,1 мкм до 1,0 мкм. Определяющим является величина отношения эффективного показателя преломления n_зф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания. Расчетные n_зф/n_вт при плотностях тока 0,1 кА/см² и 10 кА/см² были соответственно равны 1,000001 и 0,999854. Длина волны лазерного излучения выбрана равной 0,976 мкм и определялась составом и толщиной активного слоя 3. Отражатель оптического резонатора Лазера 1, расположенный со стороны вывода излучения, был изготовлен травлением соответствующей выемки с наружной поверхности гетероструктуры. На созданную в выемке оптическую грань 10 высотой примерно 2 мкм (примыкающую к слоям гетероструктуры 6, 3, 7, 8 и 9) были нанесены отражающие покрытия 11 с коэффициентом отражения R₁, равным 99%. Для вывода лазерного излучения на сколотую оптическую грань 12 было нанесено антиотражающее покрытие 13 с коэффициентом отражения излучения R₂ менее 0,01%. Со стороны, противоположной стороне вывода излучения, на всю сколотую оптическую грань 14 были нанесены отражающие покрытия 15 с коэффициентом отражения R₁, равным 99%. Активные области 16 с протекающим током выполнены полосковыми с шириной полоска 100 мкм. Боковое оптическое ограничение лазерного излучения в активной области 16 с протекающим током реализуется ограничительными областями 17, выполненными в виде заполненных диэлектриком полосковых канав, размещенных на расстоянии 3 мкм от боковых сторон активной области 16 с протекающим током. Отметим, что дно диэлектрических ограничительных областей расположено ниже активного слоя 3 гетероструктуры. При выбранной толщине слоя втекания 5, равной 8,0 мкм, пороговая плотность токов этой модификации ГОР-ДЛ была равна 120 А/см², мощность многомодового лазерного излучения 15 Вт, дифференциальная эффективность 85%. Угол расходимости в вертикальной плотности был равен 7,0°, а в горизонтальной 4,0°.

Следующая модификация диодного лазера 1 (ГОР-ДЛ) (см. фиг.3) отличалась от предыдущей тем, что для вывода лазерного излучения сколотая грань 12 с нанесенным на ней антиотражающим покрытием 13 была размещена вне выемки на расстояние 25 мкм. Параметры этой модификации ГОР-ДЛ были схожи с предыдущей.

Следует отметить, что возможна модификация диодного лазера 1, в которой в отличие от модификации, изображенной на фиг.1-2, боковое оптическое ограничение лазерного излучения в активной области 16 реализуется ограничительными областями 17, дно которых расположено выше активного слоя 3 гетероструктуры, например, на 0,2 мкм. Максимальная мощность излучения данной модификации не превышает 5 Вт.

Предложенный интегрально связанный ИДЛ 30 (см. фиг.4-5) содержит вдоль оптической оси распространения лазерного излучения два интегрально связанных диодных лазера, базирующихся на одной и той же гетероструктуре, что и ГОР-ДЛ. Первый диодный лазер 31 включает оптический резонатор длиной 1,0 мм с глухими отражателями 32 и 33 и полосковую активную область 34 шириной 100 мкм, второй диодный лазер 35 включает оптический резонатор длиной 5,0 мм с глухими отражателями 36 и 37 и полосковую активную область 38 шириной 100 мкм. Вывод лазерного излучения осуществляется через просветленную грань 39 с диэлектрическим покрытием 40. Пороговая плотность тока этой модификации ИДЛ была равна 90 А/см², мощность лазерного излучения возрастала до 25 Вт, дифференциальная эффективность и углы расходимости были те же, что в предыдущих модификациях.

Следующая модификация ИДЛ 30 отличалась от предыдущей тем, что была изготовлена в виде решетки (из двадцати) параллельно расположенных ИДЛ 30. Выходная мощность такой решетки составляет 500 Вт.

Следующая модификация ИДЛ 30 (см. фиг.6) отличалась от предыдущей модификации тем, что ширина активной области 34 первого диодного лазера 31 была равна 10 мкм, а конфигурация активной области второго диодного (выводного) лазера 35 состояла из двух частей. Ширина активной области (длиной 1,0 мкм) в первой ее части 41 была равна 10 мкм, а вторая часть 42 активной области (длиной 4,0 мкм) выполнена расширяемой с углом расширения, равным 7°, что приводит к ширине апертуры выходного лазерного излучения, равной 490 мкм. Данная модификация генерирует одномодовое лазерное излучение с мощностью 5 Вт с дифракционными углами расходимости: в вертикальной плоскости 8°, в горизонтальной плоскости 0,20°. Дифференциальная эффективность лазерного излучения находится в пределах 75%…90%.

Следующая модификация ИДЛ 30 отличалась от модификации, изображенной на фиг.6, тем, что была изготовлена в виде решетки (из двадцати) параллельно расположенных ИДЛ 30 с мощностью излучения 100 Вт.

Предложенный интегрально связанный ИПОУ 50 (см. фиг.7) содержит вдоль оптической оси распространения лазерного излучения интегрально соединенные задающий диодный лазер 51 (ЗДЛ) с длиной оптического резонатора 1,0 мм и полупроводниковый усилительный элемент 52 (ПУЭ) с длиной области усиления 5,0 мм. Задающий диодный лазер 51 включает оптический резонатор длиной 1,0 мм с глухими отражателями 53 и 54 и полосковую активную область 55 шириной 10 мкм. ПУЭ включает две части области усиления 56 и 57. Первая часть 56 области усиления выполнена одинаковой по размерам длины и ширины по отношению к активной области 55 в ЗДЛ 51. Вторая часть 57 области усиления длиной 5,0 мм выполнена расширяемой с углом расширения, равным 7°, что приводит к ширине апертуры выходного лазерного излучения, примерно равной 600 мкм. На выводную оптическую грань 58 области усиления нанесено просветляющее (антиотражающее) диэлектрическое покрытие 59 с коэффициентом отражения менее 0,01%. Профиль выемки 60 на границе с первой частью 56 области усиления выполняет роль стабилизирующего элемента. Приведенный ИПОУ дает возможность получить одномодовое лазерное излучение с мощностью вплоть до 10 Вт при высоком качестве излучения. Дифракционный угол расходимости излучения в вертикальной плоскости равен 8°, а в горизонтальной плоскости равен 0,14°. Дифференциальная эффективность лазерного излучения находится в пределах 80…90%.

Следующая модификация ИПОУ 50 (см. фиг.8) отличалась от предыдущей тем, что в противоположных направлениях вдоль по оси к одному ЗДЛ 51 с каждой стороны были интегрально присоединены по одному ПУЭ 52. Данный ИПОУ излучает в двух противоположных направлениях с параметрами излучения, схожими с параметрами предыдущей модификации.

Следующая модификация ИПОУ 50 отличалась от модификации, изображенной на фиг.8, тем, что была изготовлена в виде решетки (из семнадцати) параллельно расположенных ИПОУ 50 с суммарной мощностью излучения 340 Вт.

Промышленная применимость

Полупроводниковые источники лазерного излучения - диодные лазеры (ДЛ), а также интегральные диодные лазеры (ИДЛ) и интегральные полупроводниковые оптические усилители (ИПОУ) - применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании лазерного технологического оборудования, медицинской аппаратуры, для реализации лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей.

Диодный лазер включает гетероструктуру, которая содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания. Гетероструктура характеризована отношением показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты. На определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя. Толщина слоев гетероструктуры находится в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения. Интегральный диодный лазер представляет собой комбинацию интегрально соединенных диодных лазеров, размещенных вдоль оптической оси распространения лазерного излучения. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель включает интегрально соединенные задающий диодный лазер и полупроводниковый усилительный элемент. Интегральная связь в устройствах осуществляется через область втекания излучения. Технический результат заключается в снижении плотности пороговых токов генерации, улучшении стабильности модовой генерации, увеличении мощности лазерного излучения и прочности глухих отражателей резонатора. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Диодный лазер, включающий расположенную на подложке гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также активную область с протекающим током при работе диодного лазера, оптические грани, оптический резонатор с отражателями, омический контакт, отличающийся тем, что гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры по крайней мере до активного слоя, со стороны, противоположной стороне вывода излучения, посредством нанесения на оптическую грань, примыкающего по крайней мере к активному слою отражающего покрытия сформирован отражатель оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения близким к единице, со стороны вывода излучения на части оптической грани, примыкающей к области втекания, имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю, и с той же стороны вывода излучения посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия сформирован с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, отражатель оптического резонатора, примыкающий к активному слою и к размещенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве.

2. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что дельта близка к нулю.

3. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что упомянутый отражатель, сформированный со стороны вывода излучения, размещен от наружного слоя гетероструктуры до примерно слоя втекания, входящего в область втекания, расположенную со стороны подложки.

4. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что со стороны вывода излучения антиотражающее покрытие имеется на части толщины гетероструктуры, оставшейся после нанесения отражающего покрытия.

5. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что со стороны, противоположной стороне вывода излучения, высота отражателя оптического резонатора с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к единице, равна толщине гетероструктуры.

6. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что указанные ограничительные области излучения размещены на определенном расстоянии от боковых сторон активной области с протекающим током, а показатели преломления ограничительных областей выбраны меньше эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры.

7. Диодный лазер по п.1, отличающийся тем, что указанные ограничительные области излучения размещены вплоть до ограничительного слоя гетероструктуры со стороны подложки.

8. Интегральный диодный лазер, представляющий собой комбинацию интегрально соединенных лазеров, размещенных вдоль оптической оси распространения лазерного излучения, изготовленных из одной и той же гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений, содержащий по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, а также по крайней мере два оптических резонатора с отражателями и по крайней мере две активные области с протекающим током при работе интегрального диодного лазера, омические контакты, расположенные на одной оси оптические грани и отражатели резонатора, причем гетероструктура характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы и гамма больше дельты, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры, по крайней мере до активного слоя; со стороны вывода излучения на части оптической грани, примыкающей к области втекания, имеется антиотражающее покрытие с коэффициентом отражения лазерного излучения, близким к нулю; при этом каждый оптический резонатор ограничен отражателями, сформированными посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия, имеющими коэффициенты отражения лазерного излучения, близкие к единице, и примыкающими к активному слою и к размещенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, причем интегральная связь оптических резонаторов осуществляется через область втекания гетероструктуры.

9. Интегральный диодный лазер по п.8, отличающийся тем, что со стороны вывода излучения по крайней мере одна активная область с протекающим током, по крайней мере часть ее, выполнена расширяемой.

10. Интегральный диодный лазер по п.9, отличающийся тем, что размещенная на стороне, противоположной стороне вывода излучения, начальная часть длины расширяемой активной области выполнена одинаковой по ширине с предшествующей активной областью в предшествующем диодном лазере.

11. Интегральный диодный лазер по п.9, отличающийся тем, что для указанной расширяемой активной области с протекающим током отражатель с высоким коэффициентом отражения лазерного излучения выполнен с шириной, примерно равной ширине начальной части расширяемой активной области.

12. Интегральный диодный лазер по п.8, отличающийся тем, что по крайней мере две активные области интегрального диодного лазера имеют автономные омические контакты.

13. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель, включающий интегрально соединенные через область втекания гетероструктуры задающий диодный лазер и полупроводниковый усилительный элемент, размещенные по одной оси и изготовленные из одной и той же полупроводниковой гетероструктуры, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, область, прозрачную для излучения, а также оптические грани, омические контакты, кроме того, в задающий диодный лазер включены активная область с протекающим током при его работе, ограничительные области излучения, расположенные с обеих боковых сторон указанной активной области, оптический резонатор и его отражатели, а в полупроводниковый усилительный элемент включена по крайней мере одна область усиления с протекающим током при его работе с просветляющим покрытием на выводной оптической грани, отличающийся тем, что гетероструктура дополнительно характеризована отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус гамма, где дельта и гамма определяются числом, много меньшим единицы, и гамма больше дельты, область, прозрачная для излучения, являющаяся областью втекания, имеет по крайней мере слой втекания и размещена между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя, кроме того, на определенном расстоянии от обеих боковых сторон активной области с протекающим током задающего диодного лазера размещены ограничительные области излучения, проникающие от наружного слоя внутрь гетероструктуры по крайней мере до активного слоя; оптический резонатор задающего диодного лазера ограничен отражателями, сформироваными посредством нанесения на оптическую грань отражающего покрытия, имеющими коэффициент отражения лазерного излучения близким к единице, при этом отражатель задающего диодного лазера, граничащий с активной областью усиления полупроводникового усилительного элемента, выполнен примыкающим к активному слою и к расположенным по обе стороны от активного слоя полупроводниковым слоям гетероструктуры, суммарная толщина которых находится по крайней мере в интервале от (λ/4n_эф) мкм до (4λ/n_эф) мкм, где λ - длина волны лазерного излучения в свободном пространстве, и просветляющее покрытие на выводной оптической грани полупроводникового усилительного элемента выполнено с коэффициентом отражения, близким к нулю.

14. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что по крайней мере одна область усиления с протекающим током выполнена расширяемой.

15. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.14, отличающийся тем, что начальная часть длины расширяемой области усиления с протекающим током выполнена одинаковой по ширине с предшествующей активной областью задающего диодного лазера.

16. Интегральный полупроводниковый оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что упомянутая активная область и упомянутая область усиления имеют автономные омические контакты.