ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2010 года по МПК H01S5/65 

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах.

Известен лазер типа излучающее зеркало, являющийся полупроводниковым лазером с продольной накачкой электронным пучком и содержащий импульсный источник электронов высокой энергии, лазерную мишень, представляющую собой монокристаллическую полупроводниковую пластину с высокоотражающим зеркальным покрытием со стороны, бомбардируемой электронами, приклеенную к хладопроводящей прозрачной подложке, и внешнее отражающее зеркало (О.В.Богданкевич, С.А.Дарзнек, П.Г.Елисеев. Полупроводниковые лазеры. М., Наука, 1976. С.276).

Для увеличения мощности излучения за счет увеличения поперечных к оси резонатора размеров возбужденной области полупроводниковую пластину разрезают на ячейки, размеры которых выбирают меньше обратной величины коэффициента усиления на пороге генерации, α¹, чтобы исключить влияние сброса усиленного спонтанного шума на характеристики лазера.

Недостатком данного устройства является то, что оно работает при слишком высоких энергиях электронов, выше 150 кэВ. С уменьшением энергии электронов до 50 кэВ и ниже, при которых возможно широкое практическое применение подобных приборов, порог генерации при комнатной температуре растет, толщину пластины и поперечные размеры области возбуждения необходимо уменьшать, что приводит к быстрой деградации прибора. Кроме того, направленность таких лазеров недостаточно высокая.

Известна лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая источник электронного пучка и средства для его управления, лазерную мишень, выполненную в виде гетероструктуры и включающую в себя образующие оптический резонатор два зеркала, одно из которых высокоотражающее, а другое - частично пропускающее, активную полупроводниковую среду с напряженными квантовыми ямами, помещенными между зеркалами, и опорную подложку для оптического резонатора (Козловский В.И., Лаврушин Б.М. Лазерная электронно-лучевая трубка. Патент РФ №2056665).

Данное устройство представляет собой полупроводниковый лазер с продольной накачкой остросфокусированным сканирующим электронным пучком. Использование гетероструктуры с напряженными квантовыми ямами позволяет существенно снизить порог генерации при комнатной температуре и расширить набор материалов, которые могут быть использованы, что, в конечном счете, позволяет реализовать генерацию в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Недостатком данного устройства является то, что поперечные размеры области возбуждения, ограничиваемые размерами диаметра электронного пучка, не могут быть больше 100 мкм из-за сброса инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся вне генерируемых мод резонатора. Кроме того, резонатор в данном устройстве имеет длину в несколько микрон и не может обеспечить высокую направленность излучения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полупроводниковый лазер с оптической накачкой, содержащий резонансно-периодическую наноструктуру с квантовыми ямами из InGaAs/GaAsP и брэгговским зеркалом из эпитаксиальных слоев AlGaAs/GaAs, закрепленную на хладопроводе, внешнее сферической полупрозрачное зеркало и средство для оптической накачки, состоящее из лазерных диодов и согласующей оптической системы (Caprara Andrea, Chilla Juan L., Spinelli Luis A., High-power external-cavity optically-pumped semiconductor laser, US Patent 6,285,702 September 4, 2001; J. Chilla, St. Butter-worth, A. Zeitschel, J. Charles, A. Carpara, M. Reed, L, Spinelli High power optically pumped semiconductor lasers, Proc/ of SPIE, Vol.5332, P.143-150 (2004).)

В данной наноструктуре квантовые ямы помещены в пучности моды резонатора, что обеспечивает примерно в два раза больший коэффициент оптического усиления в направлении оптической оси резонатора, чем в поперечном направлении. Поперечный размер области возбуждения изменялся от 500 до 900 мкм, а длина активной области вдоль оси резонатора была равна примерно 1.5 мкм. В этом случае удалось получить мощность лазера до 30 Вт в непрерывном режиме возбуждения на длине волны 970 нм при мощности накачки излучением лазерных диодов 70 Вт. Угол расходимости излучения составил 3 дифракционных предела при длине волны генерации 980 нм.

Недостатком устройства является то, что дальнейшее увеличение мощности лазера путем увеличения поперечных размеров невозможно не только в непрерывном режиме накачки, но и в импульсном из-за сброса инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся поперек оси резонатора. Хотя в данном устройстве эффект сброса инверсии ослаблен по сравнению с выше описанными аналогами за счет различия коэффициента оптического усиления вдоль и поперек оси резонатора, но все же он остается определяющим фактором ограничения размера возбужденной области наноструктуры одним миллиметром.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение мощности полупроводникового лазера за счет увеличения поперечных размеров области возбуждения.

Поставленная задача решается в полупроводниковом лазере, содержащем гетероструктуру в виде тонкой плоскопараллельной пластины, два зеркала, образующие оптический резонатор с оптической осью, расположенные по обе стороны гетероструктуры, и средство накачки, с помощью которого в гетероструктуре возбуждается объем, имеющий значительно меньший размер вдоль оси резонатора, чем поперек, причем оптический резонатор содержит по меньшей мере один дополнительный поглощающий слой, расположенный перпендикулярно оптической оси в узле моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра оптического усиления гетероструктуры.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы в лазере создать высокий коэффициент оптического усиления лишь для основной поперечной моды резонатора и избежать усиления спонтанного излучения, распространяющегося в других направлениях. Если внутри резонатора дополнительный поглощающий слой размещен в узле стоячей электромагнитной волны моды резонатора, то электромагнитное поле слабо поглощается в этом слое. Однако для любой бегущей электромагнитной волны это поглощение существенно (в 10-1000 раз) увеличивается. При использовании достаточного числа дополнительных поглощающих слоев с достаточно высоким коэффициентом поглощения на длине волны спонтанного излучения гетероструктуры можно полностью подавить паразитное усиление спонтанного шума, которое сбрасывает инверсию и ухудшает характеристики лазера. При полном подавлении этого усиления поперечные размера возбужденной области могут быть сколь угодно большими, по меньшей мере, при импульсном режиме накачки, что позволяет существенно увеличить мощность излучения лазера. При неполном подавлении достигается частичное улучшение характеристик лазера, описанного выше.

По меньшей мере, один дополнительный поглощающий слой может быть размещен между гетероструктурой и одним из зеркал резонатора. В этом случае этот слой будет ограничивать усиление спонтанного излучения вне основной моды резонатора, которое выходит из гетероструктуры и возвращается в нее после отражения от внешнего зеркала. Однако большая часть спонтанного излучения будет распространяться внутри гетероструктуры.

Для подавления усиления спонтанного излучения, распространяющегося вдоль гетероструктуры, имеющей относительно малую толщину (0.1-1 мкм), дополнительные поглощающие слои наносят, по меньшей мере, на одну из поверхностей гетероструктуры. В этом случае электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль структуры, будет выталкиваться в дополнительный поглощающий слой и при достаточно высоком коэффициенте поглощения не будет усиливаться за счет оптического усиления активными слоями.

В наиболее простом варианте исполнения гетероструктура содержит активные слои, разделенные барьерными слоями и ориентированные перпендикулярно оси резонатора.

В случае более толстой гетероструктуры (1-20 мкм) активные и барьерные слои гетероструктуры образуют волновод. Волноводная электромагнитная волна спонтанного излучения будет слабо поглощаться дополнительными поглощающими слоями, нанесенными на поверхность гетероструктуры. В этом случае для подавления усиления спонтанного шума дополнительные поглощающие слои вводят непосредственно в гетероструктуру при ее выращивании.

Активные слои гетероструктуры могут представлять собой однородные слои с шириной запрещенной зоны меньшей, чем ширина запрещенной зоны барьерных слоев. В этом случае зонная диаграмма гетероструктуры такова, что либо в зоне проводимости, либо в валентной зоне, либо в обеих зонах образуются энергетические ямы для неравновесных электронов и дырок соответственно. Для уменьшения порога генерации лазера активные слои делают достаточно тонкими (0.1-10 нм), в этом случае энергия электронов и дырок в энергетических ямах квантуется, и активные слои являются квантовыми ямами.

Для эффективного ограничения электронов и дырок в квантовых ямах (КЯ) при комнатной температуре (kT=25 мэВ) целесообразно, чтобы глубина КЯ была больше 25 мэВ. При меньшей энергии даже в случае широкой КЯ неравновесные носители будут подвергаться тепловому выбросу из КЯ. Лучшие результаты по ограничению носителей в КЯ достигаются при различии в ширине запрещенных зон КЯ и барьерного слоя, большем 300 мэВ.

Активный слой может иметь даже большую ширину запрещенной зоны, чем барьерный слой в гетероструктурах с разрывами зон второго типа. В этом случае активный слой является КЯ только для одного из неравновесных носителей заряда: электрона или дырки. Другой носитель будет притягиваться к гетерогранице с КЯ, находясь в барьерном слое. И в этом случае оптическое усиление возможно, хотя коэффициент усиления меньше.

Активные слои гетероструктуры могут также представлять собой слоевой набор квантовых линий, когда ограничение движению носителей происходит в двух направлениях. Для достижения эффективного ограничения носителей в квантовых линиях при комнатной температуре глубина энергетических ям должна быть больше 25 мэВ.

В другом варианте исполнения активный слой гетероструктуры представляет собой слоевую матрицу квантовых точек, когда ограничение движению носителей происходит по трем координатам. Глубина энергетических ям должна быть больше 25 мэВ для квантовых точек большого размера. С уменьшением размера квантовых точек глубину энергетических ям следует увеличивать. Возможен также вариант, когда активный слой представляет собой слоевой набор квантовых дисков, когда основное квантование энергии носителей происходит из-за ограничения движения по одной координате вдоль оптической оси, как у квантовых ям, но в отличие от КЯ суммарная площадь дисков значительно меньше площади слоя, на котором они размещены. В этом случае происходит дополнительное электронное ограничение, которое уменьшает порог генерации лазера, но ширина линии излучения квантовых дисков остается равной ширине линии излучения КЯ, то есть не наблюдается неоднородное уширение линии за счет разброса размеров квантовых точек, которое имеет место для большинства материалов, использующихся для их образования.

Активные слои помещены в пучности моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра усиления. Тонкая подстройка моды резонатора на максимум спектра усиления осуществляется путем изменения длины резонатора и/или величиной сдвига фазы электромагнитной волны при отражении от одного из зеркал резонатора. В общем виде положение активного слоя характеризуется расстоянием s от одного из зеркал, которое является одним из решений уравнения

где N(z) - показатель преломления среды, заполняющей резонатор, в зависимости от координаты z, отсчитываемой вдоль оси резонатора от положения выбранного зеркала, φ - сдвиг фазы электромагнитной волны при отражении от этого зеркала, λ - длина волны генерации лазера. Тогда положение дополнительных поглощающих слоев будет характеризоваться расстоянием s₁ от этого же зеркала, которое является одним из решений уравнения

Предпочтительно, чтобы активные слои имели толщину 0.3-10 нм. Ограничение снизу определяется типичным расстоянием между кристаллическими плоскостями используемых материалов или толщиной одного молекулярного слоя. Если толщина активных слоев будет больше 10 нм, то различие между уровнями квантования будет мало, что приведет к увеличению порога генерации лазера.

Предпочтительно, чтобы дополнительные поглощающие слои имели также толщину 0.3-10 нм. Ограничение снизу определяется толщиной одного молекулярного слоя, как в случае активных слоев. Если толщина дополнительных поглощающих слоев будет больше 10 нм, это приведет к заметному увеличению общих потерь в лазере и росту порога генерации.

Для упрощения изготовления гетероструктуры ее делают периодической с периодом, кратным λ/2N, где λ - длина волны генерируемого излучения, а N - средний показатель преломления по периоду структуры. Изменение периода осуществляют изменением толщины барьерных слоев. Поскольку генерируемые накачкой неравновесные носители заряда скапливаются в основном в активных слоях, то чем больше период структуры, тем больше концентрация неравновесных носителей в этих слоях при эффективном транспорте носителей. Это приводит к уменьшению порога генерации. Однако эффективный транспорт достигается, когда толщина барьерных слоев гетероструктуры меньше удвоенной длины диффузии неравновесных носителей в этих слоях. Если период структуры будет больше удвоенной длины диффузии носителей, то они будут рекомбинировать прежде, чем смогут достигнуть активных слоев, что приведет к уменьшению эффективности лазера.

Требуемые высокий транспорт и высокая эффективность излучения гетероструктуры достигаются лишь при малой концентрации дефектов. Для уменьшения концентрации дефектов необходимо, чтобы активные, барьерные и дополнительные поглощающие слои гетероструктуры имели одинаковый период кристаллической решетки в плоскости слоев. Если это условие не выполняется, то в гетероструктуре появляются структурные дефекты несоответствия кристаллических решеток слоев, которые существенно ухудшают характеристики лазера.

Одинаковый период кристаллической решетки всех слоев в гетероструктуре может достигаться в случае, если материалы, используемые для получения гетероструктуры, имеют одинаковый период решетки в свободном состоянии. Однако это условие сильно сужает круг материалов, которые могут быть использованы, и соответственно сужается спектральный диапазон излучения лазеров на их основе. Для увеличения спектрального диапазона необходимо использовать большее разнообразие материалов с различающимися периодами кристаллических решеток. Если делать слои из таких материалов достаточно тонкими, то они будут унаследовать кристаллическую решетку предыдущих слоев без образования дефектов. В этом случае эти слои будут упруго напряженными. Если толщина слоя превысит критическую толщину образования дислокации несоответствия, то упругие напряжения в слое будут релаксировать с образованием дефектов. Для того, чтобы напряжения не накапливались по мере выращивания гетероструктуры, целесообразно выбирать материалы и толщины слоев таким образом, чтобы скомпенсировать упругие напряжения. В периодических гетероструктурах желательно это делать в пределах одного периода.

Наиболее высокие характеристики лазера будут достигаться при условии, что число N и коэффициенты поглощения α_i дополнительных поглощающих слоев выбираются из условия

где h_i - толщина i-ого слоя, Los - потери резонатора за один обход. Если

то усиление спонтанного шума не будет подавлено полностью. Действительно, пороговое усиление всех активных слоев за один обход резонатора равно потерям. Поэтому сравнение с потерями равнозначно сравнению с суммарным усилением активных слоев. Если

,

то потери на поглощение в дополнительных поглощающих слоях для моды резонатора будут сравнимы с потерями без этих слоев, что будет увеличивать порог генерации.

В периодической гетероструктуре число дополнительных поглощающих слоев примерно равно числу активных слоев. Эти слои разделены толстыми барьерными слоями, имеющими большую ширину запрещенной зоны. Поэтому примерно половина неравновесных носителей заряда будет скапливаться в дополнительных поглощающих слоях. Это приводит к увеличению порога генерации. Для уменьшения порога генерации вводят дополнительные барьерные слои, имеющие ширину запрещенной зоны больше ширины запрещенной зоны барьерных слоев, по меньшей мере, на 25 мэВ и расположенные между барьерными слоями и дополнительными поглощающими слоями. Введение этих слоев препятствует транспорту неравновесных носителей из широких барьерных слоев в дополнительные поглощающие слои за счет образования энергетических барьеров, по меньшей мере, для одного из носителей заряда. Для эффективного ограничения этого транспорта при комнатной температуре высота барьера должна быть выше 25 мэВ.

Дополнительные барьерные слои имеют толщину 1-10 нм. Если их толщина будет меньше 1 нм, то носители будут эффективно туннелировать через них. Если толщина этих слоев будет больше 10 нм, то она становится сравнимой с толщиной барьерных слоев. В этом случае уже заметная часть носителей генерируется в дополнительных барьерных слоях, причем половина из них сваливается в дополнительные поглощающие слои, что снова приведет к увеличению порога генерации.

Чтобы гетероструктура имела малую концентрацию дефектов, ухудшающих характеристики лазеров, все слои гетероструктуры, включая дополнительные барьерные слои, должны иметь одинаковый период кристаллической структуры в плоскости слоев.

Для выполнения данного условия можно использовать материалы с различающимися периодами кристаллических решеток, если делать слои из таких материалов достаточно тонкими. В этом случае эти слои будут упруго напряженными. Для того чтобы напряжения не накапливались по мере выращивания гетероструктуры, целесообразно выбирать материалы и толщины слоев таким образом, чтобы скомпенсировать упругие напряжения. В периодических гетероструктурах желательно это делать в пределах одного периода.

Область возбуждения гетероструктуры имеет размер вдоль оси резонатора в диапазоне 0.05-10 мкм. Размер в 0.05 мкм соответствует примерно четверти длины волны генерации внутри гетероструктуре. При толщине, меньшей 0.05 мкм, в гетероструктуре не могут быть размещены одновременно активный слой в пучности стоячей волны резонатора и дополнительный поглощающий слой. Если же эти слои размещать на расстоянии меньшем 0.05 мкм, то характеристики лазера ухудшаются. При выращивании периодической гетероструктуры толщиной 10 мкм с активными слоями, размещенными строго в пучностях моды резонатора, период гетероструктуры должен быть выдержан с точностью 0.05 мкм, то есть 0.5%. Это является пределом возможностей современной технологии эпитаксиального роста. Поэтому если толщину гетероструктуры делать больше 10 мкм, то не все активные слои и дополнительные поглощающие слои будут размещены соответственно в пучностях и узлах моды резонатора, на которой происходит генерация, что ухудшает характеристики лазера.

Размер области возбуждения гетероструктуры, по меньшей мере, в одном направлении превышает размер вдоль оси резонатора более чем в 100 раз. При размере области возбуждения вдоль оси резонатора 10 мкм поперечный размер составит 1 мм. Это лишь не намного больше, чем в известном техническом решении. Поэтому если размеры вдоль и поперек оси резонатора соотносятся меньше, чем в 100 раз, то заявляемое техническое решение не имеет преимущества перед известными решениями.

По меньшей мере, одно из зеркал предлагаемого устройства выполнено в виде зеркального покрытия, нанесенного на одну из поверхностей гетероструктуры. В рассматриваемом лазере с малой суммарной длиной усиления вдоль оси резонатора необходимо использовать высокоотражающие зеркала с коэффициентом отражения выше 90%. Чем меньше используется активных слоев, тем выше коэффициент отражения должен быть. Такие зеркала могут быть выполнены из диэлектрических или полупроводниковых слоев, не поглощающих или слабо поглощающих генерируемое излучение. Целесообразно использовать интерференционные покрытия из чередующихся четвертьволновых слоев с малым и большим показателем преломления. Могут быть использованы, например, такие пары окислов, как SiO₂-TiO₂, SiO₂-ZrO₂, SiO₂-HfO₂, SiO₂-Ta₂O₅, Al₂O₃-Ta₂O₅ и другие. Для увеличения отражения зеркала при относительно небольшой его толщине можно использовать комбинированное металлодиэлектрическое зеркало. В этом случае сначала наносится диэлектрическое покрытие, а поверх него - тонкий (50-1000 нм) слой металла, например Al, Ag, Au и других элементов. При конструировании зеркала необходимо учитывать его фазовые характеристики.

Гетероструктура может изготавливаться таким образом, что первый активный слой находится на расстоянии λ/2N от поверхности, на которую наносится зеркальное покрытие, рассчитанное на длину волны λ. Тогда первый слой зеркального покрытия имеет меньший показатель преломления. В этом случае сдвиг фазы равен нулю, и первый активный слой находится в пучности генерируемой моды.

Активные и барьерные слои гетероструктуры выполнены, по меньшей мере, из двух полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. Выбор полупроводниковых материалов определяется, прежде всего, тем, какая требуется длина волны генерации. Для ультрафиолетовой области спектра могут быть использованы соединения на основе ZnS (группа А2В6): ZnSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnCdS, ZnCdSSe с кристаллической решеткой, почти согласованной с кристаллической решеткой подложки GaP, а также соединения на основе GaN (группа А3В5): GaInN, AlGaN, AlGaInN на подложках Аl₂O₃, GaN, AlN, Si и других. Для видимой области предпочтительны соединения на основе ZnSe (группа А2 В6): ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnCdMgSe на подложках GaAs, InP, ZnSe, CdS, а также соединения GaInP, AlGaInP (группа А3В5) на подложках GaAs. Для инфракрасной области спектра используются в основном полупроводниковые соединения А3В5: AlGaAs, AlInGaAs, GaInSbAs и другие.

Дополнительные барьерные слои выполнены из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. С точки зрения технологии выращивания барьерные, дополнительные барьерные и активные слои целесообразно выполнять из однотипных материалов, различающихся в основном составом используемого раствора. Например, для синей области спектра все перечисленные слои могут быть выполнены из соединения Zn_1-xMg_xS_ySe_1-y, причем в активных слоях х=у=0, а в дополнительных барьерных слоях концентрация х и у больше, чем в барьерных слоях. При этом все слои будут слабо рассогласованы по периоду кристаллической решетки с подложкой GaAs.

Дополнительные поглощающие слои внутри гетероструктуры также легче выполнять из материалов группы А2В6 или группы А3В5. Однако в отличие от активных, барьерных и дополнительных барьерных слоев они должны характеризоваться малым временем жизни неравновесных носителей. В противном случае в них может образовываться высокая концентрация неравновесных носителей, что приведет к насыщению поглощения. Для достижения малого времени жизни неравновесных носителей в дополнительных поглощающих слоях в одном из вариантов эти слои легируют примесями, которые образуют эффективные каналы безызлучательной рекомбинации. Такими примесями могут быть, например, атомы Cr, Fe, Ni и другие. Безызлучательные каналы рекомбинации могут также быть образованы за счет собственных точечных дефектов нестехиометрии.

Можно, наоборот, дополнительные поглощающие слои делать бездефектными с высоким выходом излучательной рекомбинации. Кроме того, все дополнительные поглощающие слои должны иметь одинаковый состав и толщину. В этом случае уменьшение времени жизни неравновесных носителей будет достигаться за счет создание инверсии в этих слоях и оптического усиления на длине волны λ₁, меньшей длины волны генерации лазера λ. Это приведет к эффективному опустошению дополнительных поглощающих слоев за счет индуцированных переходов и усиленного спонтанного шума на длине волны λ₁.

Когда дополнительный поглощающий слой наносится на поверхность гетероструктуры или на дополнительный элемент внутри резонатора, этот слой может быть выполнен из Si, Ge или металла, например Al, Ag, Au, Cu и других элементов.

Для упрощения изготовления гетероструктуры и резонатора, а также для улучшения теплоотвода от возбужденной области и увеличения срока службы лазера целесообразно, по меньшей мере, одно из зеркал резонатора делать в виде брэгговского отражателя из эпитаксиальных слоев, выполненных из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. Для инфракрасной и красной областей спектра используют брэгговское зеркало из чередующихся четвертьволновых слоев AlAs и AlGaAs.

В качестве средства накачки в одном из вариантов устройства используется электронный пучок. В этом случае лазер выполнен в виде отпаянной вакуумированной колбы, в одном конце которой размещена электронная пушка, формирующая электронный пучок, распространяющийся вдоль электронно-оптической оси колбы, в другом конце - два зеркала и гетероструктура между ними, одна из поверхностей которой пересекается электронно-оптической осью колбы. Оба зеркала могут быть выполнены в виде напыления на поверхности гетероструктуры, образуя тем самым микрорезонатор. В этом варианте энергия электронного пучка должна быть достаточно большой (больше 35 кэВ), чтобы потери энергии электронов в зеркале, через которое происходит накачка, были несущественны. Генерируемое излучение можно выводить как через бомбардируемое зеркало, так и через противоположное зеркальное покрытие.

В другом варианте зеркало может быть внешним, и электронный пучок накачивает гетероструктуру непосредственно через ее поверхность, минуя внешнее зеркало. В этом варианте энергия электронов может быть снижена вплоть до 10 кэВ или даже ниже. Генерируемое излучение можно выводит как через внешнее зеркало, так и через зеркальное покрытие, нанесенное на противоположную поверхность гетероструктуры.

Еще в одном варианте в качестве средства накачки используется другой лазер с энергией кванта излучения, слегка превышающей ширину запрещенной зоны барьерных слоев гетероструктуры. Устройство снабжено оптической системой, направляющий луч лазера на одну из поверхностей гетероструктуры для формирования области возбуждения. В качестве лазера накачки могут быть использованы, в частности, линейки лазерных диодов на основе соединений А3В5, излучающие в инфракрасной области, а также на основе нитридов III группы, излучающие в ближней ультрафиолетовой области спектра.

На фиг.1 представлен полупроводниковый лазер, являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству.

На фиг.2а представлен активный элемент с микрорезонатором для полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком согласно известному решению, а на фиг.2б - согласно заявляемому техническому решению.

На фиг.3 представлена зависимость энергетического положения краев разрешенных зон наноструктуры в направлении оптической оси.

Известное устройство полупроводникового лазера, представленного схематично на фиг.1, содержит гетероструктуру 1, имеющую первую 2 и вторую 3 поверхности, два зеркала: высокоотражающее плоское 4 и полупрозрачное сферическое 5, образующие оптический резонатор с оптической осью 6, и средство радиационной накачки 7, с помощью которого в гетероструктуре возбуждается объем 8. Высокоотражающее плоское зеркало 4 расположено со стороны первой поверхности 2 гетероструктуры 1, а полупрозрачное сферическое зеркало 5 расположено со стороны второй поверхности 3 гетероструктуры 1. Гетероструктура 1 с зеркалом 4 закреплена на хладопроводящей непрозрачной подложке 9. Средство накачки 7 может быть линейкой лазерных диодов с длиной волны излучения меньшей, чем длина волны генерации полупроводникового лазера, или электронной пушкой.

Полупроводниковый лазер работает следующим образом. Излучение 10 средства радиационной накачки направляется на вторую поверхность 3 гетероструктуры 1 и возбуждает объем 8. В объеме 8 возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях, и оптическое усиление этого спонтанного излучения, имеющее максимум в направлении оптической оси 6. Зеркала 4 и 5 частично возвращают спонтанное излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора, обратно в возбужденный объем 8, создавая положительную обратную связь. В результате генерируется излучение 11 на одной или нескольких основных поперечных модах оптического резонатора. Излучение 11 частично выходит через полупрозрачное зеркало 5. Если поперечные размеры области возбуждения 8 будут увеличиваться, то спонтанный шум, распространяющийся поперек оси резонатора, будет усиливаться и при некотором поперечном размере объема 8 будет настолько велик, что будет сбрасывать инверсию заселенности в гетероструктуре. Это приведет к уменьшению оптического усиления и к срыву генерации в оптическом резонаторе.

На фиг.2а представлен более детально активный элемент полупроводникового лазера в варианте с микрорезонатором согласно известному техническому решению. В отличие от варианта, представленного на фиг.1, оптический резонатор образован зеркальными покрытиями: высокоотражающим 12 и полупрозрачным 13, нанесенными непосредственно на обе поверхности гетероструктуры 1. Поскольку толщина гетероструктуры составляет единицы микрон, то резонатор на фиг.2а называем микрорезонатором, а резонатор на фиг.1 - резонатором с внешним зеркалом обратной связи. Гетероструктура 1 на фиг.2а содержит слои квантовых ям 14 и барьерные слои 15. Полупрозрачное покрытие 13 состоит из чередующихся четвертьволновых слоев 16 и 17 с меньшим и большим показателями преломления соответственно. Высокоотражающее зеркальное покрытие 12 также состоит из чередующихся четвертьволновых слоев 18 и 19 с меньшим и большим показателями преломления соответственно и тонкого слоя металла 20. Слои квантовых ям 14 размещены в пучностях моды 21 оптического резонатора. Гетероструктура 1 с зеркальными покрытиями 12 и 13 размещена на прозрачной подложке 22 с помощью скрепляющего слоя 23.

На фиг.2б представлен активный элемент полупроводникового лазера согласно одному из вариантов заявляемого технического решения. В отличие от устройства на фиг.2а гетероструктура 24 содержит дополнительные поглощающие слои 25, размещенные в узлах моды резонатора.

Устройства на фиг.2 работают следующим образом. Электронным пучок 26 падает на структуру со стороны высокоотражающего зеркального покрытия 12, проникает через него в гетероструктуру 1 или 24 и генерирует неравновесные электронно-дырочные пары в слоях квантовых ям 14, барьерных слоях 15 и дополнительных поглощающих слоях 25. Основная масса неравновесных носителей заряда генерируется в барьерных слоях 15, поскольку их толщина заметно больше толщины других слоев. Неравновесные носители за время жизни успевают достигнуть слоев квантовых ям 14 и дополнительных поглощающих слоев 25 и собраться в них. В одном из вариантов дополнительные поглощающие слои 25 сделаны из материала, в котором время жизни попавших туда носителей мало, и они там быстро безызлучательно рекомбинируют. Поэтому в таких дополнительных поглощающих слоях неравновесные носители не скапливаются, и поглощающие свойства этих слоев не зависят от уровня возбуждения. Неравновесные носители в квантовых ямах рекомбинируют излучательно и, кроме того, создают оптическое усиление.

В варианте на фиг.2а без дополнительных поглощающих слоев спонтанное излучение квантовых ям, распространяющееся поперек оптической оси, усиливается и при достаточно больших поперечных размерах объема возбуждения становится достаточно большим, чтобы заставить вынуждено рекомбинировать неравновесные носители в квантовых ямах под действием усиленного спонтанного шума. В результате порог генерации основной моды резонатора не будет достигаться.

В заявляемом варианте, представленном на фиг.2б, дополнительные поглощающие слои 25 поглощают спонтанное излучение, распространяющееся под углом к оптической оси 27 вне основной моды 21 резонатора. С другой стороны, поглощающие слои 25 не вносят дополнительных потерь в основную моду резонатора, поскольку находятся в ее узлах, где электромагнитное поле минимально. В результате спонтанный шум не нарастает с увеличением поперечных размеров объема возбуждения и не ухудшает характеристики лазера.

В другом варианте исполнения дополнительных поглощающих слоев накопившиеся в них неравновесные носители создает оптическое излучение на длине волны, меньшей длины волны излучения квантовых ям. В результате их собственного усиленного спонтанного излучения они вынужденно рекомбинируют, не накапливаясь в дополнительных поглощающих слоях, тем самым не теряется способность этих слоев поглощать спонтанный шум квантовых ям при высоких уровнях накачки.

Однако часть неравновесных носителей, генерируемых электронным пучком, теряется из-за их транспорта к дополнительным поглощающим слоям при возбуждении гетероструктуры. Чтобы уменьшить эти потери, в другом варианте заявляемого технического решения вводятся дополнительные барьерные слои вокруг дополнительных поглощающих слоев. На фиг.3 показана зонная диаграмма гетероструктуры с дополнительными барьерными слоями 28. Эти слои препятствуют транспорту неравновесных носителей из барьерных слоев 15 в дополнительные поглощающие слои 25. В результате большая часть генерируемых неравновесных носителей попадает в слои с квантовыми ямами 14.

Заявляемое техническое решение можно проиллюстировать следующими примерами.

Пример 1. Полупроводниковый лазер в отпаянной колбе содержит известного типа источник электронов с ускоряющим напряжением 50 кэВ и средство его модуляции, оптический резонатор с внешним полупрозрачным зеркалом обратной связи и вторым высокоотражающим брэгговским зеркалом, нанесенным на проводящую подложку GaAs, и новую гетероструктуру, размещенную между ними. Подложка GaAs размещена на хладопроводящей подложке из сплава Cu и W с коэффициентом температурного расширения (КТР), равным КТР GaAs. Полупрозрачное зеркало нанесено на полупроводниковую плоскую подложку из ZnSe, имеющую электрический контакт с подложкой GaAs, и состоит из пяти пар чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и Ta₂O₅ с первым слоем SiO₂ на поверхности подложки ZnSe. Коэффициент отражения этого зеркала равен 95% на длине волны 640 нм. Вторая поверхность подложки ZnSe просветлена известным способом и имеет пропускание на длине волны 640 нм более 99%. Брэгговское зеркало состоит из 40.5 пар чередующихся четвертьволновых слоев AlAs и Al_0.5Ga_0.5As, оно рассчитано на длину волны 640 нм, начинается и заканчивается слоем AlAs. Коэффициент отражения этого зеркала больше 99.9% на длине волны 640 нм.

Новая гетероструктура имеет 17 активных слоев в виде квантовых ям Ga_0.5ln_0.5P с толщиной 8 нм и 16 дополнительных поглощающих слоев In_0.5Ga_0.5As с толщиной 6 нм, размещенных посередине между активными слоями. К каждому дополнительному поглощающему слою с обеих сторон примыкают дополнительные барьерные слои, выполненные из (Al₀₉Ga_0.1)_0.5In_0.5P толщиной 3 нм. Активные и дополнительные барьерные слои разделены барьерными слоями из (Al_0.6Са_0.4)_0.5In_0.5Р с толщиной 136 нм. Первый слой гетероструктуры со стороны брэгговского зеркала и последний слой со стороны внешнего полупрозрачного зеркала выполнены из (Al_0.7Са_0.3)_0.5In_0.5Р с толщиной 191 нм. Полная толщина структуры составляет примерно 5 мкм.

Активный элемент лазера, включающий ростовую подложку GaAs, брэгговское зеркало и гетероструктуру, выращивают в едином технологическом процессе известным методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.

При возбуждении гетероструктуры электронным пучком диаметром 5 см с энергией электронов 50 кэВ, током 1.5 кА и длительностью 20 непиковая мощность лазера составляет 8 МВт на длине волны 640 нм при угле расходимости меньше 10^-4 рад. Энергия в световом импульсе составляет 0.1 Дж. Эффективность преобразования энергии электронного пучка в красное излучение превышает 6.5%. При частоте повторения импульсов накачки 300 Гц средняя мощность составит 30 Вт.

Пример 2. Лазерная электронно-лучевая трубка содержит в одном конце отпаянной колбы непрерывный источник электронов известного типа, включающий в себя совокупность ускоряющих и фокусирующих электродов, формирующих электронный пучок с энергией электронов 10 кэВ и током 200 мА, а в другом конце - плоскую лазерную мишень, расположенную под углом к электронно-оптической оси колбы. Устройство снабжено отклоняющей электромагнитной катушкой, расположенной вне колбы. Электромагнитная катушка сканирует электронный пучок по поверхности лазерной мишени. Мишень представляет собой хладопроводящую подложку, охлаждаемую водой, на которой закреплена гетероструктура нового типа. Гетероструктура закреплена с помощью металлического припоя поверхностью, на которую предварительно нанесено высокоотражающее покрытие из чередующихся четвертьволновых слоев окислов типа SiO₂ с меньшим коэффициентом преломления и окислов типа Ta₂O₅ с большим показателем преломления. Коэффициент отражения этого покрытия превышает значение 99.9%.

Гетероструктура содержит 4 КЯ толщиной 6 нм из соединения ZnSe, разделенные барьерными слоями из Zn_0.82Mg_0.18S_0.24Se_0.76 толщиной 86 нм. Верхний и нижний слои выполнены толщиной 89 нм из того же соединения, что и барьерные слои. На поверхность гетероструктуры, противоположную поверхности крепления к хладопроводящей подложке, напылен дополнительный поглощающий слой Si толщиной 6 нм. Гетероструктура имеет активную площадь в виде прямоугольника со сторонами 4 и 3 см. На расстоянии 3 см от поверхности гетероструктуры колба содержит плоскопараллельное оптическое окно с просветленными поверхностями. Вне колбы на расстоянии 4 см от поверхности гетероструктуры размещено внешнее плоское полупрозрачное зеркало с элементами юстировки. Коэффициент отражения внешнего зеркала равен 99%.

Электронный пучок диаметром 1 мм сканирует по поверхности лазерной мишени со скоростью 1 см/мкс. В результате лазерная мишень генерирует излучение на длине волны 460 нм с мощностью 16 Вт и углом расходимости менее 10^-3 рад.

Пример 3. Полупроводниковый лазер содержит лазерную мишень, как в примере 2, внешнее плоское зеркало, набор линеек лазерных диодов на основе AlGaInN, излучающих на длине волны 410 нм. Линейки имеют волоконные жгуты, формирующие круглые расходящиеся пучки излучения. Излучение линеек с помощью фокусирующих линз направляется на поверхность гетероструктуры, где формируется пятно накачки. При использовании 10 линеек с мощностью 35 Вт каждая формируется пятно накачки диаметром 3 мм. В результате возникает генерация на длине волны 465 нм с мощностью 90 Вт и углом расходимости менее 3·10^-4 рад.

Полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру в виде тонкой плоскопараллельной пластины, два зеркала, образующие оптический резонатор с оптической осью, расположенные по обе стороны гетероструктуры, и средство накачки. С помощью средства накачки в гетероструктуре возбуждается объем, имеющий значительно меньший размер вдоль оси резонатора, чем поперек. Оптический резонатор содержит, по меньшей мере, один дополнительный поглощающий слой, в котором происходит рекомбинация неравновесных носителей. Дополнительный поглощающий слой расположен перпендикулярно оптической оси в узле моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра оптического усиления гетероструктуры. Указанный поглощающий слой поглощает спонтанное излучение, распространяющееся под углом к оптической оси вне основной моды резонатора. Технический результат заключается в увеличении мощности лазера за счет увеличения поперечных размеров области возбуждения. 31 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полупроводниковый лазер, содержащий гетероструктуру в виде тонкой плоскопараллельной пластины, два зеркала, образующие оптический резонатор с оптической осью, расположенные по обе стороны гетероструктуры, и средство накачки, с помощью которого в гетероструктуре возбуждается объем, имеющий значительно меньший размер вдоль оси резонатора, чем поперек, отличающийся тем, что оптический резонатор содержит, по меньшей мере, один дополнительный поглощающий слой, в котором происходит рекомбинация неравновесных носителей, расположенный перпендикулярно оптической оси в узле моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра оптического усиления гетероструктуры, причем указанный поглощающий слой поглощает спонтанное излучение, распространяющееся под углом к оптической оси вне основной моды резонатора.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поглощающий слой размещен, по меньшей мере, на одной из поверхностей гетероструктуры.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один дополнительный поглощающий слой находится внутри гетероструктуры.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что гетероструктура содержит активные слои, разделенные барьерными слоями, и все слои ориентированы перпендикулярно оси резонатора.

5. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные слои представляют собой квантовые ямы, являющиеся энергетическими ямами глубиной не менее 25 мэВ, по меньшей мере, для одного из носителей заряда: электронов и дырок.

6. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные слои представляют собой совокупность квантовых линий, являющихся энергетическими ямами глубиной не менее 25 мэВ, по меньшей мере, для одного из носителей заряда: электронов и дырок.

7. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные слои представляют собой совокупность квантовых точек, являющихся энергетическими ямами глубиной не менее 25 мэВ, по меньшей мере, для одного из носителей заряда: электронов и дырок.

8. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные слои помещены в пучности моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра усиления.

9. Лазер по п.8, отличающийся тем, что каждый активный слой помещен на расстоянии s от одного из зеркал, которое является одним из решений уравнения
,
где N(z) - показатель преломления среды, зависящий от расстояния от зеркала;
φ - сдвиг фазы на этом зеркале;
λ - длина волны генерации лазера.

10. Лазер по п.1, отличающийся тем, что каждый дополнительный поглощающий слой помещен на расстоянии s₁ от одного из зеркал, которое является одним из решений уравнения

где N(z) - показатель преломления среды, зависящий от расстояния от зеркала;
φ - сдвиг фазы на этом зеркале;
λ - длина волны генерации лазера.

11. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные слои имеют толщину 0,3-10 нм.

12. Лазер по п.1, отличающийся тем, что дополнительные поглощающие слои имеют толщину 0,3 - 10 нм.

13. Лазер по п.4, отличающийся тем, что гетероструктура является периодической с периодом, кратным λ/2N, где λ - длина волны генерируемого излучения, а N - средний показатель преломления по периоду структуры.

14. Лазер по п.13, отличающийся тем, что период гетероструктуры меньше удвоенной длины диффузии неравновесных носителей в барьерных слоях.

15. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные, барьерные и дополнительные поглощающие слои гетероструктуры имеют одинаковый период кристаллической решетки в плоскости слоев.

16. Лазер по п.15, отличающийся тем, что активные, барьерные и дополнительные поглощающие слои гетероструктуры упруго напряжены из-за различия в периодах кристаллической решетки материалов, из которых изготовлены эти слои, в свободном состоянии, и эти упругие напряжения взаимно скомпенсированы в пределах одного периода гетероструктуры.

17. Лазер по п.1, отличающийся тем, что число N и коэффициенты поглощения α_i дополнительных поглощающих слоев выбираются из условия:
,
где h_i - толщина i-го слоя;
Los - потери резонатора за один обход.

18. Лазер по п.1, отличающийся тем, что дополнительные поглощающие слои размещены внутри гетероструктуры, содержащей активные слои, заключенные между барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны больше ширины запрещенной зоны активных слоев, по меньшей мере, на 25 мэВ, и дополнительные барьерные слои, имеющие ширину запрещенной зоны больше ширины запрещенной зоны барьерных слоев, по меньшей мере, на 25 мэВ и расположенные между барьерными слоями и дополнительными поглощающими слоями, причем все слои гетероструктуры ориентированы перпендикулярно оси резонатора.

19. Лазер по п.18, отличающийся тем, что дополнительные барьерные слои имеют толщину 1-10 нм.

20. Лазер по п.18, отличающийся тем, что все слои гетероструктуры имеют одинаковый период кристаллической структуры в плоскости слоев.

21. Лазер по п.20, отличающийся тем, что активные, барьерные, дополнительные поглощающие и дополнительные барьерные слои гетероструктуры упруго напряжены из-за различия в периодах кристаллической решетки материалов, из которых изготовлены эти слои, в свободном состоянии, и эти упругие напряжения взаимно скомпенсированы.

22. Лазер по п.1, отличающийся тем, что область возбуждения активной среды имеет размер вдоль оси резонатора в диапазоне 0,05-10 мкм.

23. Лазер по п.1, отличающийся тем, что область возбуждения активной среды имеет размер, по меньшей мере, в одном направлении, перпендикулярном оси резонатора, превышающий размер вдоль оси резонатора более чем в 100 раз.

24. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из зеркал выполнено в виде зеркального покрытия, нанесенного на одну из поверхностей гетероструктуры.

25. Лазер по п.4, отличающийся тем, что активные и барьерные слои выполнены, по меньшей мере, из двух полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5.

26. Лазер по п.18, отличающийся тем, что дополнительные барьерные слои выполнены из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5.

27. Лазер по п.18, отличающийся тем, что дополнительные поглощающие слои, размещенные внутри гетероструктуры, выполнены из материалов группы А2В6 или группы А3В5, сильнолегированных атомами переходных металлов или других элементов, в присутствии которых в поглощающих слоях преобладает безызлучательная рекомбинация неравновесных носителей заряда.

28. Лазер по п.18, отличающийся тем, что дополнительные поглощающие слои, размещенные внутри гетероструктуры, имеют одинаковые размеры и выполнены из одного материала, способного при оптической накачке создать оптическое усиление на длине волны λ₁.

29. Лазер по п.1, отличающийся тем, что дополнительные поглощающие слои, размещенные вне гетероструктуры, выполнены из Si, Ge или металла.

30. Лазер по п.24, отличающийся тем, что зеркальное покрытие является эпитаксиальным брэгговским отражателем, выполненным из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5.

31. Лазер по п.1, отличающийся тем, что лазер выполнен в виде отпаянной вакуумированной колбы, в одном конце которой размещено средство накачки в виде электронной пушки, формирующей электронный пучок, распространяющийся вдоль электронно-оптической оси колбы, в другом конце - два зеркала и гетероструктура между ними, одна из поверхностей которой пересекается электронно-оптической осью колбы.

32. Лазер по п.1, отличающийся тем, что средством накачки является лазер с энергией кванта излучения, превышающей ширину запрещенной зоны барьерных слоев гетероструктуры, который снабжен оптической системой, направляющей луч лазера на одну из поверхностей гетероструктуры для формирования области возбуждения.