ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2012 года по МПК H01S5/65 H01S5/32 H01S5/42 

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам.

Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе максимальные КПД и мощность излучения. Разработка новых подходов к конструированию мощных полупроводниковых лазеров позволила существенно улучшить оптические параметры гетероструктур. Для современных полупроводниковых лазеров внутренние оптические потери составляют величину менее 1 см^-1 при внутреннем квантовом выходе, близком к 100%. Высокое оптическое совершенство лазерных гетероструктур и низкие оптические потери позволяют достигать непрерывных и импульсных уровней возбуждения несколько десятков ампер. Следствием таких изменений характеристик лазерных гетероструктур и уровней возбуждения является появление новых эффектов, ряд из которых ведет к насыщению ватт-амперной характеристики и падению максимальной выходной мощности излучения.

Известен инжекционный лазер (см. патент US 7643527, МПК H05S 5/323, опубликован 05.01.2010), включающий подложку, характеризующуюся наличием областей с дислокациями с плотностью 10⁵ см^-2 или больше, кристаллическую полупроводниковую структуру, расположеную на подложке и имеющую активный слой. Изолирующий слой расположен на полупроводниковой структуре, верхний омический контакт расположен на изолирующем слое и электрически связан с полупроводниковой структурой для инжекции тока в активную область. Нижний омический контакт расположен на нижней поверхности подложки. Полупроводниковый лазер имеет оптический резонатор с длиной L и площадью верхнего омического контакта 120·L мкм² или меньше.

К недостаткам предлагаемого инжекционного лазера относится отсутствие технических решений для подавления генерации замкнутой моды. В результате выходная оптическая мощность предлагаемого полупроводникового лазера не достигает максимально возможного значения.

Известен инжекционный лазер (см. патент RU №2230410, МПК H01S 5/042, опубликован 10.06.2004), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по меньшей мере, часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области. По меньшей мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.

Известный лазер имеет увеличенную выходную мощность излучения, суженную и улучшенную пространственную диаграмму выходного излучения в плоскости p-n-перехода до одномодовой, улучшенный спектр излучения до одночастотного, а также стабильные параметры ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизации величины бокового оптического ограничения.

Однако известный инжекционный лазер не решает задачи увеличения оптической мощности, так как лазерные гетероструктуры с низкими внутренними оптическими потерями характеризуются близкой к 100% локализацией поля лазерной моды в волноводных слоях. В этом случае любые периодические структуры, сформированные в любых ограничительных слоях, становятся неэффективными, т.к. поле лазерной моды с ними не перекрывается.

Известен инжекционный лазер (см. №2230411, МПК H01S 5/034, опубликован 10.06.2004), включающий гетероструктуру, содержащую активный слой, по меньшей мере волноводные слои, ограничительные слои, размещенные с двух сторон от него, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную со стороны p-типа гетероструктуры, с основанием, расположенным в ограничительном слое, размещенном с той же стороны активного слоя. Ограничительный слой со стороны p-типа гетероструктуры сформирован по меньшей мере из двух подслоев, имеющих один и тот же состав. Ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, или не легирован, или имеет концентрацию p-типа не более 3·10¹⁷ см^-3. Граничащий с первым последующий ограничительный подслой имеет концентрацию p-типа более 3·10¹⁷ см^-3, мезаполоска гребневидного волновода сформирована двухъярусной. Первый ярус соосно расположен на дополнительно введенном в ограничительный первый подслой втором ярусе мезаполоски, имеющем ширину, превышающую ширину первого яруса мезаполоски в 1,5-4 раза.

В известном лазере обеспечено снижение последовательного сопротивления лазера при минимальном профиле растекания, а также стабилизация одномодового режима генерации.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU №2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению

Г⁰ _QW/Г^m _QW>1,7;

где Г⁰ _QW и Г^m _QW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.

Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие в инжекционном лазере-прототипе дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, который бы обеспечивал увеличение выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, повышение временной стабильности выходной оптической мощности.

Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер на основе гетероструктуры включает первый волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. По меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнена по меньшей мере одна легированная область. Фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению:

;

где - значение составляющей фактора оптического ограничения Г_Y в области усиления для ЗМ, отн. ед.;

- потери на выход Фабри-Перо моды, см^-1;

α_i - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см^-1;

Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (α_SC), межзонным поглощением (α_BGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см^-1;

- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.;

σ_n - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см²;

n - концентрация свободных электронов в легированной области, см^-3;

σ_p - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см²;

p - концентрация свободных дырок в легированной области, см^-3.

Расстояние между ближайшими границами легированной области и области инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм.

Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.

Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.

Легированная область может быть сформирована ионной бомбардировкой.

Легированная область может быть сформирована путем диффузии примеси из поверхностных слоев в волноводный слой.

По меньшей мере в первом волноводном слое вне области инжекции могут быть выполнены две легированные области, расположенные в боковых частях инжекционного лазера.

Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 10¹⁷ см^-3.

Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя, при этом активная область расположена во втором волноводном слое.

В инжекционном лазере продольный размер легированной области может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.

Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А³B⁵.

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ.

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежом, где

на фиг.1 изображен известный инжекционный лазер с полосковым омическим контактом;

на фиг.2 показан заявляемый инжекционный лазер, в боковую часть которого введена легированная область;

на фиг.3 показан заявляемый инжекционный лазер с первым и вторым волноводными слоями.

на фиг.4 приведены качественные зависимости материального усиления в активном полоске (кривая 1) и потерь в пассивной области (кривая 2) от длины волны (λ_FP и λ_CM - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ, , и - материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ, и - потери на межзонное поглощение в пассивных областях соответственно для ФПМ и ЗМ);

на фиг.5 показана зависимость выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от тока накачки для известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера (кривая 3 - при непрерывном токе накачки, кривая 4 - при импульсном токе накачки для известного лазера; кривая 5. - при непрерывном токе накачки, кривая 6 - при импульсном токе накачки для заявляемого инжекционного лазера).

Известный инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит первый волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественно сколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12.

Предлагаемый инжекционный лазер (см. фиг.2) содержит первый волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественносколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12, легированную область (заштрихована прямыми вертикальными линиями) 13. Инжекционный лазер может содержать две легированные области 13, расположенные в боковых частях инжекционного лазера. Расстояние между ближайшими границами легированной области 13 и области 8 инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм. Легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию. В другом воплощении изобретения легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию. Легированная область 13 может быть сформирована, например, ионной бомбардировкой или путем диффузии примеси из поверхностных слоев в первый волноводный слой 1. Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 10¹⁷ см^-3. Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой 14 (см. фиг.3) с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя 1, при этом активная область 4 расположена во втором волноводном слое 14. Продольный размер легированной области 13 может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора. Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А³B⁵.

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ. Для инжекционных лазеров характерна модовая структура излучения, которая рассчитывается с помощью волнового уравнения [Х.Кейси, М.Паниш. - Лазеры на гетероструктурах. - Москва, Мир, 1981; L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Можно выделить два типа модовых структур. Первый - это моды Фабри-Перо резонатора (ФПМ). Для таких мод характерно распространение излучения вдоль оптической оси резонатора под углами к нормали относительно зеркал Фабри-Перо резонатора (естественно сколотой грани 5 с нанесенным просветляющим покрытием и грани 6 с нанесенным отражающим покрытием) меньшими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ФПМ характерны отличные от нуля потери на выход излучения из резонатора. Именно это излучение является полезным при использовании инжекционных лазеров как источников оптического излучения. Структуры мод Фабри-Перо резонатора определяют волноводы, сформированные первым волноводным и эмиттерными (ограничительными) слоями (1, 2, 3) гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7 и зеркалами (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Второй тип модовых структур это ЗМ. Для таких мод характерно распространение излучения под углами к нормалям относительно зеркал (5, 6) Фабри-Перо резонатора и боковых ограничительных поверхностей 10 большими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. Структуры ЗМ определяют волноводы, сформированные волноводными и эмиттерными (ограничительными) слоями гетероструктуры, полосковым омическим контактом, зеркалами Фабри-Перо резонатора и боковыми ограничительными поверхностями. Выполнение пороговых условий генерации для ФПМ или ЗМ определяет режим работы инжекционного лазера. Когда порог генерации выполнен только для ФПМ, достигается максимальная полезная выходная эффективности и соответственно выходная оптическая мощность растет. При выполнении пороговых условий генерации для ЗМ часть лазерного излучения не выходит наружу и остается внутри инжекционного лазера, как следствие происходит частичное или полное падение выходной оптической мощности и снижение эффективности. В инжекционном лазере порог генерации лазерных мод достигается при выполнении двух условий: равенство модального усиления суммарным оптическим потерям и наличие обратной связи. Первое условие выполняется за счет тока инжекции, протекающего через полосковый омический контакт 7 и создающего инверсную заселенность носителями заряда активной области 4 под полосковым омическим контактом 7. Таким образом, в активной области 4 под полосковым омическим контактом 7 созданы условия для усиления оптического излучения, и эта часть активной области 4 называется областью 9 усиления. Для боковых частей активной области 4 относительно полоскового омического контакта 7 условия для усиления не созданы, т.к. они электрически изолированы от тока инжекции. Однако остается оптическая связь между боковыми частями активной области 4 и областью 9 усиления через общий первый волноводный слой 1. Второе условие для инжекционных лазеров выполняется за счет резонатора, сформированного естественно сколотыми гранями. Естественно сколотые грани формируют два типа резонаторов: резонатор Фабри-Перо образован двумя зеркалами 5, 6 - параллельно сколотыми гранями, резонатор ЗМ образован четырьмя сколотыми гранями, (гранями - зеркалами 5, 6 и ортогональными им гранями - боковыми ограничительными поверхностями 10), ограничивающими инжекционный лазер и получающимися при изготовлении инжекционного лазера путем раскалывания гетероструктуры. В общем виде пороговое условие генерации можно записать как [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:

где G_mod - модальное усиление, созданное инжектированными в активную область 4 носителями заряда, α_i - внутренние оптические потери в области 9 усиления и α_out - потери, связанные с выходом лазерного излучения из резонатора. Модальное усиление выражается через материальное усиление (g_mat), рассчитываемое через концентрацию инжектированных в активную область 4 носителей заряда [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)], и фактор оптического ограничения моды (Г) в области 9 усиления:

В общем виде фактор оптического ограничения в области усиления определяет долю энергии лазерной моды, приходящуюся на эту область, и выражается через электрическое поле моды инжекционного лазера E(x, y, z) [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]

где Vg - объем области 9 усиления, Vm - объем инжекционного лазера. Поле моды описывается в виде произведения [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]

Фактор оптического ограничения моды в области 9 усиления инжекционного лазера выражается через три независимые составляющие фактора оптического ограничения моды в области 9 усиления Г_X, Г_Y, и Г_Z (см. фиг.1).

В инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7 ширина полоскового омического контакта (w) превышает длину волны генерации, а зеркала (5, 6) Фабри-Перо резонатора ограничивают область усиления в направлении, параллельном оси резонатора. Это позволяет полю ФПМ быть полностью локализованным в области, ограниченной размерами полоскового омического контакта и длиной резонатора. Это значит для ФПМ Г_Y=1 и Г_Z=1. Электромагнитные волны ФПМ распространяются вдоль оси Фабри-Перо резонатора под углами, меньшими, чем угол полного внутреннего отражения относительно нормали к зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора, и характеризуются потерями на выход излучения из резонатора α_out. Составляющая фактора оптического ограничения Г_X одинакова для ЗМ и ФПМ и зависит от конструкции лазерной гетероструктуры: состава и толщины первого волноводного и ограничительных слоев (1, 2, 3), а также толщины активной области 4. Для лазерных гетероструктур Г_X является фактором оптической моды поперечного волновода в активной области 4 Г_QW. Тогда пороговое условие генерации (1) для ФПМ может быть переписано как

где - материальное усиление на длине волны генерации ФПМ;

- потери на выход ФПМ;

α_i - внутренние оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях заряда.

Чтобы определить пороговое условие генерации для ЗМ, необходимо оценить условия ее распространения в инжекционном лазере. В отличие от ФПМ, электромагнитные волны ЗМ распространяются под углами, большими, чем угол полного внутреннего отражения, относительно нормали к боковым ограничительным поверхностям 10 и зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. В [С.О.Слипченко, Д.А.Винокуров, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, А.Д.Бондарев, И.С.Тарасов. - ФТП, 43, 1409 (2009)] экспериментально показано, что в отличие от ФПМ, ЗМ захватывает весь объем инжекционного лазера, включая боковые части относительно полоскового контакта 7. На фиг.4 приведены качественные зависимости от длины волны материального усиления в области 9 усиления под полосковым омическим контактом 7 (g_mat) и от оптических потерь (α_BGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта. ФПМ с максимальным значением материального усиления на длине волны генерации λ_FP соответствует достаточно высокое значение потерь на межзонное поглощение в пассивных областях . Как следствие, область распространения ФПМ ограничена только областью под полосковым омическим контактом. Из фиг.4 видно, что смещение в длинноволновую область спектра относительно длины волны генерации ФПМ одновременно ведет к снижению материального усиления в активной области 4 и падению значения оптических потерь (α_BGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта 7. Таким образом, вследствие нулевых потерь на выход для ЗМ даже в условиях меньшего значения материального усиления на длине волны генерации для ЗМ может быть достигнут порог генерации. Рассмотрим пороговое условие генерации для ЗМ в инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7. Так как ЗМ захватывает весь объем первого волноводного слоя 1 инжекционного лазера, то фактор оптического ограничения ЗМ для области усиления (Г_CM) выглядит следующим образом

где - значение составляющей фактора оптического ограничения Г_Y в области 9 усиления для ЗМ. Как показано выше (и подтверждено экспериментально), длина λ_CM волны генерации ЗМ смещена в низкоэнергетическую область спектра относительно ФПМ. В результате материальное усиление ЗМ () может быть представлено как:

где Δ - расстройка материального усиления, определяемая как разность между материальными усилениями ФПМ и ЗМ. Оптические потери для ЗМ α_CM можно выразить как:

величина Δα учитывает потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях, межзонным поглощением и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта 7. Так как оптические потери на выход излучения для ЗМ равны нулю, то в выражении (9) они не учитываются.

На основании вышесказанного пороговые условия для ЗМ примут вид:

Принимая значение Δ=0 с учетом (3) получаем неравенство, удовлетворение которого подавляет генерацию ЗМ в известных инжекционных лазерах

Созданная по меньшей мере в первом волноводном слое 1 вне области 8 инжекции по меньшей мере одна легированная область 13 позволяет увеличить оптические потери для ЗМ на величину . Увеличение потерь для ЗМ до величин, при которых выполняется указанное неравенство, позволяет подавить генерацию ЗМ в заявляемом инжекционном лазере. Требуемая для подавления генерации ЗМ величина внутренних оптических потерь в созданной легированной области 13 подбирается путем выбора ее размеров и положения, решая волновое уравнение, что определяет значение , а также путем выбора концентрации и типа легирующей примеси.

Заявляемый инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый омический контакт 7 заявляемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению p-n-перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения, через естественно сколотую грань - зеркало 5 с нанесенным просветляющим покрытием - выходит лазерное излучение Фабри-Перо моды. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока. Спонтанное излучение на линии генерации замкнутой моды поглощается в легированной области 13 (см. фиг.2). Это подавляет обратную связь для замкнутой моды. В результате сохраняется генерация только мод Фабри-Перо резонатора, что ведет к сохранению линейности зависимости выходной мощности от тока накачки и увеличения выходной оптической мощности.

Пример. Были проведены сравнительные испытания известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера. Был изготовлен известный инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающей волноводный слой GaAs толщиной 0,6 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In_0.26Gа_0.74Аs толщиной 8,5 нм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 1,5 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5%, и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной 100 мкм, расположенный в центре между боковыми естественно сколотыми гранями, расстояние между которыми 500 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости. Для известного инжекционного лазера значения внутренних оптических потерь и потерь на выход излучения для мод Фабри-Перо резонатора составили 2 см^-1 и 10.15 см^-1, соответственно. Через полосковый контакт известного инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для известного инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 3), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 4). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 5,4 Вт, при импульсном токе накачке 34,5 Вт.

Заявляемый инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера тем, что в волноводном слое была сформирована легированная область. Легирование осуществлялось цинком, примесью p-типа электропроводности, до концентрации p=10¹⁸ см^-3 с сечением поглощения на свободных дырках в легированной области σ_p=7*10^-18 см². Ближайшая к области инжекции граница легированной области располагалась на расстоянии 100 мкм. Ширина области легирования составляла 100 мкм, фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области =0.2, значение составляющей фактора оптического ограничения Г_Y в области усиления для ЗМ =0.2. При выбранных параметрах области легирования неравенство

выполняется. Через полосковый омический контакт предлагаемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствовал прямому смещению p-n-перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для заявляемого инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 5), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 6). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 8,8 Вт, при импульсном токе накачке 54,5 Вт. Значения выходной оптической мощности, полученные для инжекционного лазера, оказались выше, чем у известного инжекционного лазера. Измерения выходной оптической мощности во времени показали, что временная стабильность сигнала заявляемого инжекционного лазера выше, чем у известного инжекционного лазера. Таким образом, заявляемый инжекционный лазер имеет увеличенную выходную оптическую мощность в непрерывном и импульсном режиме, а также обладает повышенной временной стабильностью выходной оптической мощности.

Лазер на основе гетероструктуры включает волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами р- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. В волноводном слое вне области инжекции выполнена легированная область, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению: ; где - значение составляющей фактора оптического ограничения Г_Y в области усиления для ЗМ, отн. ед.; - потери на выход Фабри-Перо моды, см^-1; α_i - потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см^-1; Δα - потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (α_SC), межзонным поглощением (α_BGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера, см^-1; - фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.; n, p - концентрация соответственно свободных электронов и дырок в легированной области, см^-3; σ_n, σ_р - сечение поглощения соответственно на свободных электронах и дырках в легированной области, см². Технический результат заключается в обеспечении увеличения выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, а также в повышении временной стабильности выходной оптической мощности. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающий первый волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнена, по меньшей мере, одна легированная область, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению

где - значение составляющей фактора оптического ограничения Г_Y в области усиления для ЗМ, отн. ед.;
- потери на выход Фабри-Перо моды, см^-1;
α_i - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см^-1;
Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (α_SC), межзонным поглощением (α_BGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см^-1;
- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.;
σ_n - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см²;
n - концентрация свободных электронов в легированной области, см^-3;
σ_p - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см²;
p - концентрация свободных дырок в легированной области, см^-3.

2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что расстояние между ближайшими границами легированной области и области инжекции не меньше 10 мкм.

3. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что ширина легированной области не меньше 10 мкм.

4. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.

5. Инжекционный лазер по п.4, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси n-типа проводимости не меньше 10¹⁸ см^-3.

6. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.

7. Инжекционный лазер по п.6, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси p-типа проводимости не меньше 10¹⁷ см^-3.

8. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область сформирована ионной бомбардировкой.

9. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область сформирована диффузией примеси из поверхностных слоев в волноводный слой.

10. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнены две легированные области, расположенные в боковых частях инжекционного лазера.

11. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что содержит второй волноводный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя, а активная область расположена во втором волноводном слое.

12. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что продольный размер легированной области меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.

13. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов А³B⁵.