ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ОСНОВАННОЕ НА СДВИГЕ КРАЯ СТОП-ЗОНЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО БРЭГГОВСКОГО ОТРАЖАТЕЛЯ ЗА СЧЕТ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА Российский патент 2012 года по МПК H01S5/10 G02B5/28 H01L31/216 

Ссылка на родственные заявки

Данная заявка испрашивает защиту для изобретения, которое было раскрыто в заявке на патент США на изобретение US 11/453,979, поданной 16 июня 2006, озаглавленной "ELECTROOPTICALLY BRAGG-REFLECTOR STOPBAND-TUNABLE OPTOELECTRONIC DEVICE FOR HIGH-SPEED DATA TRANSFER", и в предварительной заявке на патент США US 60/814,054, поданной 16 июня 2006, озаглавленной "RESONANT CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE WITH SUPPRESSED PARASITIC MODES".

Упоминаемые ниже заявки включены сюда в качестве ссылки.

Область изобретения

Изобретение относится к области полупроводниковых устройств. Более конкретно изобретение относится к области высокоскоростных оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды и лазерные диоды.

Описание уровня техники

Высокоскоростные оптоэлектронные устройства широко применяются в современных системах передачи данных и телекоммуникаций.

Эти устройства можно разделить на две категории: с прямым модулированием путем подачи тока в область усиления и с внешним модулированием. Преимуществом методов прямого модулирования является низкая стоимость.

Известное из уровня техники оптоэлектронное устройство, а именно лазер с торцевым излучением, схематически изображено на фиг.1(а). Активная область находится в области волновода, помещенной между двумя слоями с более низким коэффициентом преломления и обеспечивающей полное внутреннее отражение для волноводного распространения излучения. Такое устройство включает в себя подложку, буферный слой, нижний покровный слой для слоя волновода с внутренней активной средой, верхний покровный слой и металлические контакты.

Структура (100) лазера выращена эпитаксиальным способом на подложке n-типа (101). Далее, структура включает в себя покровный слой (102) n-типа, волновод (103), покровный слой (108) р-типа и слой (109) с р-контактом. Волновод (103) включает в себя слой (104) n-типа, ограничивающий слой (105) с активной областью (106) внутри ограничивающего слоя и слой (107) р-типа. n-Контакт (111) соприкасается с подложкой (101), а р-контакт (112) помещен на слое (109) р-контакта. Активная область (106) генерирует свет, когда к области прикладывается напряжение прямого смещения (113). Профиль оптической моды в вертикальном направлении z определяется профилем коэффициента преломления в направлении 2. Индекс преломления в волноводе (103) является предпочтительно большим, чем коэффициент преломления в покровном слое (102) n-типа и покровном слое (108) р-типа. Профиль коэффициента преломления предпочтительно обеспечивает одну оптическую моду, замкнутую внутри волновода (103). Свет в оптической моде претерпевает полное внутреннее отражение от границы между волноводом (103) и покровным слоем n-типа (102) и от границы между волноводом (103) и покровным слоем (108) р-типа. Таким образом, свет в оптической моде удерживается в волноводе (103) и распространяется вдоль волновода (103).

Волновод (103) в боковой плоскости ограничен передней гранью (116) и задней гранью (117). Распространяющийся в оптической моде локализованной волны свет может выходить через переднюю грань (116) и через заднюю грань (117). Если на заднюю грань (117) нанести специальное высокоотражающее покрытие, то излучение (115) лазера будет выходить только через переднюю грань (116).

Подложка (101) образована из любого полупроводникового материала из группы III-V или из сплава полупроводников группы III-V. Например, это GaAs, InP, GaSb, GaP или InP, которые обычно используются в зависимости от требуемой длины волны лазерного излучения. В другом варианте сапфир, SiC или [111]-Si используется в качестве подложки для лазеров на основе GaN, т.е. лазерные структуры, слои которых образованы из GaN, AlN, InN, или сплавов этих материалов. Подложка (101) легирована по n-типу или донорной примесью. Возможные донорные примеси включают в себя, но не ограничены ими, S, Se, Те и амфотерные примеси, такие как Si, Ge, Sn, при этом последние вводятся при таких технологических условиях, что они предварительно встраиваются в катионную подрешетку, чтобы служить в качестве донорных примесей.

Покровный слой (102) n-типа образуется из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью. В случае GaAs подложки (101), покровный слой n-типа предпочтительно сформирован сплавом GaAlAs.

Слой (104) n-типа волновода (103) получен из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного с подложкой (101), он является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью. В случае подложки из GaAs, слой (104) n-типа в составе волновода предпочтительно образован сплавом GaAs или GaAlAs с содержанием Al ниже, чем у покровного слоя (102) n-типа.

Слой (107) р-типа в составе волновода (103) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), и он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Предпочтительно слой (107) р-типа в составе волновода образован из того же материала, что и слой (104) n-типа, но легирован акцепторной примесью. Возможный вид акцепторной примеси включает в себя, но не ограничен ими, Be, Mg, Zn, Cd, Pb, Mn и амфотерные примеси типа Si, Ge, Sn, при этом последние вводятся при таких технологических условиях, что они предварительно встраиваются в анионную подрешетку, чтобы служить в качестве акцепторных примесей.

Покровный слой (108) р-типа состоит из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Предпочтительно покровный слой (108) р-типа образован из того же материала, что и покровный слой (102) n-типа, но легирован акцепторной примесью.

Покровный слой (109) р-типа состоит из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой, он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Уровень легирования предпочтительно выше, чем для покровного слоя (108) р-типа. Предпочтительно металлические контакты (111) и (112) образованы из многослойных металлических структур. Металлические контакты (111) предпочтительно образованы из структур, которые включают в себя, но не ограничены ими, структуры Ni-Au-Ge. Предпочтительно металлические контакты (112) образованы из структур, которые включают в себя, но не ограничивая, структуры Ti-Pt-Au.

Ограничивающие слои (105) образованы из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой, он является прозрачным для сгенерированного света и либо нелегирован, либо слабо легирован. Ограничивающие слои предпочтительно образованы из того же материала, что и подложка (101).

Активная область (106) размещена внутри ограничивающего слоя (105) и предпочтительно образована любой вставкой с шириной энергетической запрещенной зоны, которая меньше, чем ширина энергетической запрещенной зоны нижнего покровного слоя (102), или слоя (104) n-типа волновода (103), ограничительного слоя (105) волновода (103), или слоя (107) р-типа волновода (103), а также верхнего покровного слоя (108). Возможные варианты активных областей (106) включают в себя, но не ограничены ими, одиночный слой или многослойную систему квантовых ям, квантовых точек или их комбинацию. В случае устройства на подложке из GaAs, примерами активной области (106) являются, но не ограничены ими, система вставок из InAs, In_i-xGa_xAs, In_xGa_1-x-y Al_yAs, In_xGa_1-xAs_1-yN_y или схожие материалы.

Лазер с торцевым излучением может применяться, в принципе, для передачи данных с прямой модуляцией.

Прямая модуляция света может быть реализована также в плоскостном лазере с вертикальным резонатором (VCSEL), также известным под названием полупроводниковый вертикально-излучающий лазер (ВИЛ). На фигуре 1(b) показан схематичный чертеж известного устройства VCSEL (ВИЛ). Активная область находится в зоне вертикально-ориентированного резонатора, ограниченная двумя многослойными интерференционными отражателями, обычно это распределенные брэгговские отражатели (РБО). Устройство включает в себя подложку, буферный слой, первый распределенный брэгговский отражатель, резонатор и второй распределенный брэгговский отражатель.

Известное из уровня техники устройство VCSEL (120) на фиг.1(b) имеет размещенную в резонаторе (123) активную область (126), которая заключена между нижним зеркалом (122) n-типа и верхним зеркалом (128) р-типа. Резонатор (123) включает в себя слой (125) n-типа, нелегированный активный элемент, включающий в себя активную область (126), и слой (127) р-типа. Предпочтительно апертуры (124) из окисла введены для того, чтобы определять путь распространения тока. Брэгговские отражатели, каждый из которых имеет периодическую последовательность из перемежающихся слоев низкого и высокого коэффициента преломления, используются в качестве нижнего зеркала (122) и верхнего зеркала (128). Резонатор (123) работает в качестве элемента для генерации светового излучения. Когда прикладывается прямое падение напряжения (113), внутри резонатора (123) активной областью (126) генерируется свет. Свет выходит (135) через оптическую апертуру (132). Длина волны лазерного излучения из VCSEL определена длиной резонатора (123).

Образующие нижнее зеркало (122) слои образованы из материалов, которые согласованы по параметру решетки или почти согласованы по параметру решетки с подложкой (101), являются прозрачными для генерированного света, легированы донорной примесью, а также имеют чередующиеся высокие и низкие коэффициенты преломления. Предпочтительно для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, зеркало (122) образовано перемежающимися слоями GaAs и GaAlAs или слоями GaAlAs с переменным содержанием алюминия.

Слой (125) n-типа резонатора (123) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью.

Слой (127) р-типа резонатора (123) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью.

Формирующие верхнее зеркало (128) слои образованы из материалов, согласованных по параметру решетки или почти согласованных по параметру решетки с подложкой (101), которые являются прозрачными для сгенерированного света и легированы акцепторной примесью, а также имеют чередующиеся высокие и низкие коэффициенты преломления. Для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, зеркало (128) образовано перемежающимися слоями GaAs и GaAlAs или слоями GaAlAs с переменным содержанием алюминия.

Слой р-контакта (129) образован из материала, легированного акцепторной примесью. Для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, предпочтительным материалом является GaAs. Предпочтительно уровень легирования выше, чем для верхнего зеркала (128). Слой (129) р-контакта и металлический (112) р-контакт вытравливаются с целью получения оптической апертуры (132).

Предпочтительно помещенная в резонатор (123) активная область (126) образована любой вставкой, ширина энергетической запрещенной зоны которой уже, чем ширина энергетической запрещенной зоны нижнего зеркала (122), а также уже, чем слоя (125) n-типа резонатора (123), слоя (127) р-типа резонатора (123) и верхнего зеркала (128). Возможные активные области (126) включают в себя, но не ограничены ими, однослойную или многослойную систему квантовых ям, квантовых проводов, квантовых точек, а также их комбинаций. В случае устройства на GaAs-подложке, примеры активной области (126) включают в себя, но ограничены ими, систему вставок InAs, In_1-xGa_xAs, In_xGa_1-x-yAl_yAs, In_xGa_1-xAs_1-yN_y или схожие материалы.

При приложении прямого смещения (113) активная область (126) генерирует оптическое усиление. Затем активная область (126) испускает световое излучение, которое переотражается между нижним зеркалом (122) и верхним зеркалом (128). Зеркала имеют высокий коэффициент отражения для света, распространяющегося в направлении, перпендикулярном плоскости р-n перехода, и коэффициент отражения для нижнего зеркала (122) выше, чем коэффициент отражения для верхнего зеркала (128). Таким образом, устройство VCSEL обеспечивает положительную обратную связь для света, который распространяется в вертикальном направлении, и в конце приводит к лазерной генерации. Излучение (135) лазера выходит через оптическую апертуру (132).

Можно отметить некоторые недостатки использования существующего VCSEL в качестве источника света для прямой модуляции. Первая проблема связана с большим количеством паразитических мод, которые существуют наряду с вертикальной оптической модой, необходимой для излучения света. Аналогично случаю с лазером с торцевым излучением, эти паразитные моды замедляют работу VCSEL.

Во-вторых, высокоскоростная модуляция лазера требует создания очень высокой плотности фотонов в полости резонатора. Внутренняя скорость определяется так называемой "-3dB" полосой, которая приблизительно пропорциональна частоте релаксационных колебаний:

где g_n означает дифференциальное усиление, ρ₀ - средняя плотность фотонов в резонаторе и τ_р - время жизни фотона в резонаторе.

Первым способом увеличения ширины полосы излучения лазера является увеличение плотности тока накачки, тем самым увеличение населенности фотонов в резонаторе, например, через уменьшение поверхностной площади устройства при том же самом токе. При импульсно-возбужденной релаксации при импульсном режиме, комнатной температуре и приложенном напряжении в 15 В была получена частота в 70 ГГц. Проблемой генерации с прямой модуляцией является перегрев активной области в режиме постоянной волны и связанное с этим насыщение частоты релаксационных колебаний. Другой сложностью для прямой модуляции является ухудшение стабильности устройства. При очень высокой плотности тока скорость ухудшения может быть неприемлемо высока.

Другой серьезной проблемой в прямой модуляции является большая дифференциальная емкость устройства под напряжением прямого смещения. Инжектированные носители уменьшают эффективную толщину нелегированного слоя в р-n-переходе и увеличивают емкость. Поэтому реализация ультраскоростного устройства VCSEL является затруднительной. Схожие проблемы возникают при прямой модуляции при использовании лазеров с торцевой эмиссией.

Еще одна возможность получения прямой модуляции света реализована в лазере с наклонным резонатором, который описан автором настоящего изобретения в патенте US 7,031,360 "TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR LASER (TCSL) AND METHOD OF MAKING SAME", поданном 12 февраля 2002, выданном 18 августа 2006, и патентной заявке США 10/943044 "TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME, поданной 16 сентября 2004. Оба включены здесь в качестве ссылки.

Показанный на фиг.2 лазер (200) с наклонным резонатором выращен с помощью эпитаксии на подложке (101) n-типа и включает в себя многослойный интерференционный отражатель (МИО) (202) n-типа, резонатор (203), верхний многослойный интерференционный отражатель (208) р-типа и слой (209) р-контакта. Резонатор (203) включает в себя слой (204) n-типа, ограничительный слой (205) и слой (207) р-типа. Ограничительный слой (205) включает в себя активную область (206). Лазерная структура (200) ограничена передней гранью (217) и задней гранью (216). Резонатор (203) и многослойные интерференционные отражатели (202) и (208) устроены так, что резонансные условия для резонатора и многослойных интерференционных отражателей выполняются только для наклонной оптической моды (220), свет распространяется под определенным углом наклона и имеет определенную длину волны. Если задняя грань (217) покрыта высокоотражающим покрытием, то лазерное излучение (215) выходит только через переднюю грань (216). Резонансные условия, которые определяют оптимальную наклонную моду (220), сформулированы ниже. Резонатор (203) имеет первое дисперсионное соотношение, которое определяет длину волны для наклонной оптической моды как функцию угла наклона. Каждый из двух МИО (нижний МИО (202) и верхний МИО (208)) имеет дисперсионное соотношение, которое определяет максимум полосы стоп-зоны (или «брэгговской полосы отражения») в области спектра отражения МИО для наклонного падения света как функции угла падения излучения. Дисперсионные соотношения в резонаторе (203), с одной стороны, и в МИО (202) и (208), с другой стороны, различны. Предпочтительно эти дисперсионные соотношения совпадают при одной длине волны и, следовательно, при одном угле. Именно при этой длине волны и при этом угле удерживаемая в резонаторе (203) оптическая мода будет сильно отражаться нижним МИО (202) и верхним МИО (208) и проявлять низкий уровень потерь. Эта длина волны является оптимальной. Для длин волн, отличных от оптимальной, дисперсионные соотношения уже не совпадают, и оптическая мода внутри резонатора (203) будет только слабо отражаться от по меньшей мере одного МИО (от нижнего МИО (202) или верхнего МИО (208)) или от обоих МИО. Тогда оптическая мода имеет высокий уровень потерь на подложку и/или контакты. В этом случае реализуется устройство со стабилизированной длиной волны, или лазер с наклонным резонатором, или светоизлучающий диод. Это устройство может быть излучающим с поверхности, излучающим с грани или предусматривает вариант с выводом излучения в ближней зоне.

При этом подходе минимум потерь происходит для только одной моды на только одной длине волны. Однако для этой длины волны не обеспечивается подавление паразитных мод. Устройство может иметь много паразитных мод, и только небольшая часть излучения попадает в желаемый интервал углов, если только не приняты особые конструктивные меры. В целом, лазер с наклонным резонатором может рассматриваться в качестве лазера с торцевой эмиссией с определенной длиной волны с контролируемыми с помощью настройки многослойного интерференционного отражателя селективными потерями. Таким образом, требуется обеспечить подавление для как можно большего количества паразитных мод (и связанной лучеиспускательной рекомбинацией).

Эффективный вес различных оптических мод и их роль в работе оптоэлектронного устройства связаны с диаграммой направленности излучения света для данного источника света. На фигуре 3 схематически показана полупроводниковая структура (300), включающая в себя плоскость (336) оптических осцилляторов, излучающих свет с определенной энергией фотона, которая соответствует определенной длине волны λ₀ в вакууме. Плоскость (336) размещена в резонаторе (330), который помещен между первым полупроводниковым материалом (310) и вторым полупроводниковым материалом (320). На практике, когда оба полупроводниковые материалы (310) и (320) являются одним материалом, который является оптически изотропным, что верно для GaAs и большинства других полупроводниковых материалов из III-V групп, излучение таких осцилляторов является изотропным и свет распространяется (345) во всех направлениях. Каким бы не было требуемое направление излучения света, однородная полупроводниковая среда поддерживает большое количество паразитных мод в световом излучении.

Чтобы уменьшить количество паразитных мод, требуется структурированная среда. Одним из существующих решений является нанесение шаблона на поверхность в виде 3-мерного шаблона, предотвращающего распространение света в широком диапазоне углов, выбирая только излучение с нужным углом и длиной волны. Такой подход использует оптические кристаллические структуры с боковой обработкой. Недостатком такого подхода является необходимость в травлении, что увеличивает стоимость, уменьшает теплопроводность и величину тока, протекающего через пластину-носитель. Для решения проблемы необходима всесторонняя эпитаксия.

На фигуре 4 показана диаграмма распределения излучения в изображенном на фиг.1(b) устройстве-прототипе. Кроме излучения в вертикальной оптической моде (135), свет может излучаться в различных наклонных оптических модах (455). Таким образом, существует много мод излучения для VCSEL и устройств с резонансной полостью, кроме полезной вертикальной или квазивертикальной моды.

На фигуре 5(а) показана схематичная диаграмма устройства-прототипа, схожего с устройством (120) на фиг.1(b) по отношению к трем группам излучения. Устройство (500) обрабатывается таким образом, что получается мезоструктура (520), как обычно получается для оптоэлектронных устройств с вертикальным резонатором. Излучение света состоит из трех групп оптических мод: изучение в вертикально-оптической моде (135), излучение моды в плоскости волноводного распространения (565) и излучение наклонных мод (455).

Идея подавления самых опасных паразитных мод в излучении света была ранее применена в лазерах с излучением от поверхности вертикального резонатора с добавочным антиволноводным резонатором. Патентная заявка США 11/099360, озаглавленная "OPTOELCTRONIC DEVICE BASED ON AN ANTIWAVEGUIDING CAVITY", поданная 5 апреля 2005 авторами настоящего изобретения и включенная в данный документ в качестве ссылки, раскрывает оптоэлектронное полупроводниковое устройство, включающее по меньшей мере один резонатор и один многослойный интерференционный отражатель. Предпочтительно резонатор выполнен таким образом, чтобы обладать свойствами автиволноводной полости. Резонатор имеет коэффициент преломления ниже, чем коэффициент преломления у распределенного брэгговского отражателя (РБО), так что фундаментальная оптическая мода устройства в резонаторе не локализована. Ни одна из оптических мод с существенным перекрыванием с активной средой не способна распространятся в поперечной плоскости. Существующие оптические моды являются модами, распространяющимися в вертикальном направлении или в направлении, слегка наклоненном по отношению к вертикали, при этом угол наклона меньше, чем угол полного внутреннего отражения на поверхности раздела полупроводник-воздух, и свет в таких оптических модах может выходить через верную поверхность или через подложку. Такое устройство уменьшает паразитные оптические моды и улучшает характеристики оптоэлектронных устройств, включая следующие разновидности устройств: плоскостной лазер с вертикальным резонатором, лазер с наклонным резонатором и излучением через верхнюю поверхность или подложку, фотодетектор с вертикальным или наклонным резонатором, оптический усилитель с вертикальным или наклонным резонатором, светоизлучающий диод и другие варианты. В этом изобретении для случая плоскостного лазера с вертикальным резонатором (VCSEL) самыми опасными модами являются те моды, которые могут распространяться в плоскости вдоль оксидной апертуры, или так называемые моды "шепчущей галереи", которые могут иметь достаточную добротность и порождать существенное усиление стимулированного излучения и укорочение радиационного времени жизни, однако такие опасные моды запрещены. Моды "шепчущей галереи", которые образуются благодаря внешней мезогранице VCSEL и которые имеют хорошую добротность, заполняя мезоструктуру с внешней границы до ~R/n, где R - внешний мезорадиус и n - эффективный коэффициент преломления плоскостного волновода, также влияют на рабочие характеристики устройства и могут даже вызвать лазерную генерацию и самопульсацию, если ~R/n находится в пределах размеров оксидной апертуры устройства.

На фиг.5(b) показана схематическая диаграмма распределения интенсивности моды в устройстве с антиволноводным резонатором. Можно видеть, что при такой конструкции большая часть излученного света направлена в направлениях, которые наклонены к поверхности, и потеряна для лазерной генерации. Важным моментом фиг.5(b) является факт, что паразитное излучение в основном сконцентрировано в узком диапазоне углов, в котором интенсивности мод эффективно перекрываются с активной областью.

На фиг.5(с) показана схематичная диаграмма распределения интенсивности моды в устройстве с волноводным резонатором. В этом случае релевантность наклонных мод слабее, однако около 35-50% излучения может быть сконцентрировано в паразитной волноводной моде, что создает множество проблем для устройства из-за образования высокотонких мод шепчущей галереи, которые связаны с окисной апертурой или внешним диаметром мезы устройства VCSEL. Как только заселенность достигнута, может начаться резкое усиление скорости радиационной рекомбинации, что уменьшает выход и вызывает более высокие плотности тока для достижения вертикальной лазерной генерации, дополнительного перегрева и, потенциально, самопульсации устройства и/или усиления шума.

Антиволноводная конструкция оптоэлектронного устройства все еще имеет проблемы, связанные с паразитными модами. В поперечной плоскости имеются моды шепчущей галереи, взаимосвязанные с наклонными вертикальными модами, что тоже может быть опасно. Даже если удается избежать этого, то другие паразитные моды продолжают вносить свой вклад в радиационные потери, перегрев устройства, хотя и в меньшем масштабе из-за низкой добротности.

Итак, что касается паразитных мод, то существуют потребность в способе подходов к эпитаксии, который бы помог получить дальнейшее снижение паразитных мод, по сравнению с обычными VCSEL и антиволноводными VCSEL структурами.

Другая проблема с применением прямо-модулированного VCSEL для высокоскоростной передачи данных связана с необходимостью в очень высокой плотности мощности. Эту проблему можно преодолеть, если вместо прямой модуляции использовать непрямую модуляцию. Непрямая модуляция с применением оптико-электронных эффектов при обратном напряжении смещения уже давно успешно применяются в ультраскоростных устройствах передачи, работающих при 40-60 Гб/с. Например, диаграмма «открытого глаза» была продемонстрирована при 40 Гб/с в случае работы электропоглощающего модулятора после передачи на 700 км.

Поскольку уже нет необходимости в прямой модуляции, это облегчает задачу работы с высокоскоростным сигналом. Из уровня техники известны точечные диодные фотодетекторы на 60-100 ГГц, использующие большие мезаприборы, а также иные устройства.

Патент US 6,285,704, "FIELD MODULATED VERTICAL CAVITY SURFACE-EMITTING LASER WITH INTERNAL OPTICAL PUMPING", выданный 4 сентября 2001, описывает VCSEL с фотонакачкой. Такое VCSEL устройство может быть модулировано при использовании внешнего электрического поля, приложенного перпендикулярно к активному слою, то есть применяя эффект Штарка для намеренного изменения ширины запрещенной зоны активного слоя, тем самым меняя длину волны излучения в сторону резонанса (и обратно) с оптическим резонатором, размещенным между верхним и нижним зеркалами.

Следовательно, оптический выход модулируется электрическим полем, а не инжектированными носителями заряда. Однако поскольку активная область устройства находится в условиях постоянной инверсии заселенности, то приложение обратного напряжения с целью изменить ширину запрещенной зоны может вызвать очень сильный фототок, что обедняет накачанную активную область.

Патент US 5,574,738, "MULTI-GIGAHERTZ FREQUENCY- MODULATED VERTICAL-CAVITY SURFACE EMITTING LASER", выданный 12 ноября 1996, раскрывает насыщаемый поглотитель, помещенный в распределенный брэгговский отражатель в составе VCSEL, который может быть самостоятельно настроен во время изготовления или работы. При контролируемых рабочих условиях насыщаемый поглотитель, с правильными размерами и размещением, заставляет VCSEL самостоятельно пульсировать (в режиме ГГц частот) со скоростью, связанной с локальной интенсивностью, поглощением, временем жизни, плотностью носителей в данном насыщаемом поглотителе. В одном из вариантов изобретения эффективность насыщаемого поглотителя может контролироваться квантово-ограниченным эффектом Штарка. Вместе с тем, режим синхронизации волн обычно очень чувствителен к условиям работы устройства и достижим в довольно узком интервале условий.

Патент US 6,396,083 "OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE WITH RESONANT CAVITY TUNABLE IN WAVELENGTH, APPLICATION TO MODULATION OF LIGHT INTENSITY", выданный 28 мая 2002, раскрывает устройство с резонансной полостью. Резонансная полость ограничена двумя зеркалами и по меньшей мере одной сверхрешеткой, помещенной в резонатор и образованной из пьезоэлектрических полупроводниковых слоев. Устройство также включает в себя средства для инжекции носителей заряда в сверхрешетку. Одним из недостатков этого устройства является необходимость использования пьезоэлектрических материалов. Пьезоэлектрические полупроводниковые слои выращиваются эпитаксиальными методами на подложке из Cd_0.88Zn_0.12Te и включают в себя структуру, состоящую из слоя Cd_0.91Mg_0.09Te и слоя Cd_0.88Zn_0.12Te, каждый из которых имеет толщину 10 нм. Такая структура повторяется около сотни раз. Устройство согласно этому патенту является двухполюсным устройством. Разделение носителей заряда на пьезоэлектрической сверхрешетке создает большие времена для уменьшения заселенности уровней. Модуляция длины волны и модуляция интенсивности в этом патенте всегда взаимосвязаны.

Электрооптический модулятор, основанный на квантово-ограниченном эффекте Шторка (QCSE) в устройстве VCSEL, был раскрыт авторами настоящего изобретения в патенте US 6,611,539, "WAVELENGTH-TUNABLE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD OF MAKING SAME", выданном 26 августа 2003, включенном сюда в качестве ссылки. Устройство включает в себя активную среду, подходящую для генерации роста и обеспечивающую лазерную генерацию этого устройства, и зависимую от положения область электрооптического модулятора. Приложение напряжения к области модулятора вызывает сдвиг длины волны в лазерной генерации. Поглощение в области модулятора остается низким. Прежде всего, такое устройство применимо для передачи данных с высоким быстродействием при использовании модуляции длины волны.

Патент US 7,075,954 "INTELLIGENT WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING SYSTEMS BASED ON ARRAYS OF WAVELENGTH TUNABLE LASERS AND WAVELENGTH TUNABLE RESONANT PHOTO DETECTORS", выданный 11 июля 2006 изобретателям настоящего изобретения и включенный сюда в качестве ссылки, раскрывает высокоскоростные системы передачи данных, основанные на конверсии модуляции длины волны в интенсивность излучения. При таком подходе VCSEL лазер с настраиваемой длиной волны работает совместно с селективным по длине волны фотодетектором на стороне ресивера. Модуляция длины волны в VCSEL преобразуется в модуляцию тока фотодетектора.

Патентная заявка США US 11/144482 "ELECTROOPTICALLY WAVELENGTH-TUNABLE RESONANT CAVITY AND OPTOELECTRONIC DEVICE FOR HIGH-SPEED DATA TRANSFER", поданная 2 июля 2005 авторами настоящего изобретения и включенная сюда в качестве ссылки, раскрывает высокоскоростную систему передачи данных, основанную на устройстве, которое имеет по меньшей мере один элемент с настраиваемой длиной волны, управляемый посредством приложенного напряжения, и по меньшей мере две резонансные полости.

На фигуре 6 показана схематическая диаграмма плоскостного лазера с вертикальным резонатором и электронной модуляцией интенсивности излучения, разработанного автором данного изобретения (US 11/144482). Устройство (600) включает в себя резонатор с настраиваемой длиной волны, которое имеет модулирующий элемент и резонатор со светогенерирующим элементом. Устройство (600) включает в себя подложку (101), предпочтительно n-типа, первый распределенный брэгговский отражатель (122), предпочтительно n-типа, и светогенерирующий элемент (123), а также первый токопроводящий р-слой (134), второй распределенный брэгговский отражатель (128), предпочтительно нелегированный, второй токопроводящий р-слой (663), фильтрующий элемент (652), в который введена модулирующая область, первый токопроводящий n-слой (664) и третий распределенный брэгговский отражатель (658), который предпочтительно нелегирован. Фильтрующий элемент (652) включает в себя слаболегированный слой р-типа или нелегированный слой (655), область модуляции (656) и слаболегированный слой n-типа или нелегированный слой (657). Прямое смещение (113) прилагается к светогенерирующему элементу (123) через n-контакт (111) и р-контакт (612). Обратное смещение (643) прилагается к модулирующей области (656) через р-контакт (641) и n-контакт (642). Апертуры (124) для тока вводятся между первым распределенным брэгговским отражателем (122) и светогенерирующим элементом (123), а также между светогенерирующим элементом (123) и первым токопроводящим р-слоем (134). Апертуры (654) для тока вводятся между вторым токопроводящим р-слоем (663) и фильтрующим элементом (652), а также между фильтрующим элементом (652) и токопроводящим n-слоем (664). Лазерное излучение (635) выходит наружу через третий распределенный брэгговский отражатель (658).

Частью устройства, включающего в себя подложку (101), первый распределенный брэгговский отражатель (122), светогенерирующий элемент (123) и второй распределенный брэгговский отражатель (128), является плоскостной лазер с вертикальным резонатором. Кроме того, устройство включает в себя фильтрующий элемент (652).

Предпочтительно слои модулирующего элемента (652) выполнены из любого материала, который согласован по параметру решетки или почти согласован по параметру решетки с материалом подложки и прозрачен для генерируемого лазерного излучения.

Модуляторная область (656) включает в себя одну или более квантовую яму, один или более слой квантовых проволок или квантовых точек, а также их комбинации. В частном варианте осуществления устройства согласно фиг.6 модулятор работает при приложении обратного смещения (643).

На фиг.7 схематически изображена работа модуляторного элемента (652) показанного на фиг.6 устройства (600). Работа модулятора основана на квантово-ограниченном эффекте Штарка. При изменении смещения меняется и приложенное к модулятору электрическое поле. Затем положение пика оптического поглощения (пик поглощения, показанный сплошной линией, смещается в положение, отображенное пунктирной линией) смещается благодаря эффекту Штарка, как показано на фиг.7(а). Согласно соотношению Крамерса-Кронига между реальной и мнимой частью диэлектрической функции среды, сдвиг в пике поглощения порождает модуляцию коэффициента преломления для модулятора, как показано на фиг.7(b), на которой кривая коэффициента преломления, показанная сплошной линией, смещается в положение, показанное пунктирной линией. Это приводит к смещению резонансной длины волны для спектра отражения в моде вертикального резонатора из изображенного на фиг.7(с) положения в положение на фиг.7(d) (пунктир). Это смещение приводит к совпадению длины волны, соответствующей прозрачности модулятора, с длиной волны генерируемого лазерного излучения и тем самым к повышению выходной мощности устройства.

В другом варианте известного из уровня техники устройства область модулятора работает при прямом смещении. Приложение прямого смещения приводит к эффекту обесцвечивания экситонов, что далее ведет к изменению коэффициента преломления в зоне модулятора.

На фиг.8 показаны принципы работы показанного на фиг.6 плоскостного лазера с вертикальным резонатором и с электронной настройкой длины волны. На фиг.8(а) показана упрощенная схема устройства согласно фиг.6, показывающая только главные компоненты. Показанные элементы включают в себя подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, первый резонатор (который включает в себя активную область), второй распределенный брэгговский отражатель, секцию фильтра с электрооптической модуляцией и третий распределенный брэгговский отражатель.

На фиг.8(b) показан пространственный профиль резонансной оптической моды устройства при переключении модулятора в резонансное состояние. На фиг.8(b) графически отображена абсолютная величина напряженности электрического поля в режиме оптической моды. В резонансном состоянии лазер генерирует световое излучение на длине волны, которая соответствует резонансной длине волны фильтра. Поэтому резонансная оптическая мода лазера является связанной модой, которая имеет высокую интенсивность, как в первом резонаторе, так и в фильтре. Следовательно, выходная мощность света, пропорциональная интенсивности поля в воздухе, является высокой.

На фигуре 8(с) графически представлен пространственный профиль резонансной оптической моды устройства, когда модулятор переключен в нерезонансное состояние. На фиг.8(с) графически представлена абсолютная величина напряженности электрического поля в режиме оптической моды. В нерезонансном состоянии лазер генерирует световое излучение на длине волны, отличной от резонансной длины волны фильтра. Поэтому оптическая мода лазера на нерезонансных длинах волн является модой, имеющей высокую интенсивность в первой полости и низкую интенсивность в фильтре. Следовательно, выходная оптическая мощность, которая пропорциональна интенсивности поля в воздухе, является низкой.

Изменение приложенного к модулятору напряжения смещения переключает устройство между резонансным состоянием и неким выбранным нерезонансным состоянием. Выходная мощность, соответственно, изменяется между высокой и низкой интенсивностью.

Резонансная длина волны настраиваемого элемента предпочтительно настраивается электрооптическим способом с использованием квантово-ограниченного эффекта Штарка. Настройка идет вокруг резонансной длины волны другой полости или полостей, что приводит к модуляции пропускной способности системы. Предпочтительно светоизлучающая среда введена в один из резонаторов оптоэлектронного устройства для работы в качестве светоизлучающего диода с модулированной интенсивностью или диодного лазера при приложении тока инжекции. Предпочтительно устройство содержит по меньшей мере три электрических контакта для приложения прямого или обратного смещения и может работать в качестве плоскостного лазера с вертикальным резонатором, или в качестве модулятора, или в качестве светового излучателя (модулятора) с наклонным резонатором. Вместе с тем, у такого устройства есть проблемы, которые связаны с требованиями очень высокой точности при выращивании структур, поскольку работа устройства очень чувствительна к спектральному положению резонаторной моды в резонансной полости с настраиваемой длиной волны по отношению к моде VCSEL полости. Предполагая неравномерный рост для различных материалов, используемых при изготовлении модулятора и секций VCSEL устройства, существует неоднородность в рабочих параметрах устройства по площади пластины. Другой недостаток является фактом, что выходная мощность является немонотонной функцией приложенного напряжения. При отсутствии приложенного напряжения (полости находятся вне резонанса) устройство имеет низкую мощность. Мощность становится высокой при некотором напряжении (полости в резонансе) и снова становится низкой при более высоких напряжениях смещения (полости вне резонанса).

Поскольку стандартные приборы для передачи данных и дальней передачи сигналов работают в режиме "вкл-выкл", то такой немонотонный характер зависимости является крайне нежелательным.

Таким образом, существует потребность в полностью эпитаксиальной конструкции для надежного сверхбыстрого пути модулирования интенсивности светового излучения, исходящего из оптоэлектронного устройства. Необходимы решения как для прямой, так и непрямой модуляции.

Краткое изложение изобретения

Описано вертикально-интегрированное оптоэлектронное устройство, которое позволяет производить сверхбыструю передачу данных с помощью прямой модуляции интенсивности светового излучения, а также проводить непрямую модуляцию интенсивности и/или длины волны светового излучения, а также комбинацию этих приемов. В одном варианте осуществления изобретения устройство содержит по меньшей мере один многослойный интерференционный отражатель с настройкой длины волны, управляемый посредством прилагаемого напряжения, и одним резонатором. Многослойный интерференционный отражатель или его части работают в качестве модулирующего элемента, так что длина волны края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя с настраиваемой длиной волны предпочтительно подвергается электрооптической настройке с помощью квантово-ограниченного эффекта Штарка вблизи резонансной моды (или составной полостной моды), что приводит к модуляции пропускной функции многослойного интерференционного отражателя. Светогенерирующий элемент, содержащий активную область, предпочтительно введен в резонатор или в одну из полостей, что позволяет оптоэлектронному устройству работать в качестве светоизлучающего диода с модулированной интенсивностью или диодного лазера при подаче инжекционного тока. Предпочтительно устройство содержит по меньшей мере три контакта для независимого приложения прямого или обратного смещения на светогенерирующий элемент и модулирующий элемент и может работать в качестве плоскостного излучателя света с вертикальным резонатором или модулятора или же в качестве торцевого излучателя света либо модулятора.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя вертикально интегрированное оптоэлектронное устройство с многослойным интерференционным отражателем, содержащим настраиваемую секцию, которая позволяет устройству работать в качестве лазера с настраиваемой длиной волны, настраиваемого лазера или фотодетектора с резонансной полостью для настройки длины волны, при условии, что оптический профиль в активном резонаторе или резонаторах является функцией смещения длины волны края стоп-зоны. Добавление дополнительных секций модулятора позволяет использование в полупроводниковых оптических усилителях, конвертерах частот или синхронных оптических усилителях.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя вертикально интегрированное оптоэлектронное устройство с по меньшей мере одним многослойным интерференционным отражателем в вертикальном направлении, который имеет по меньшей мере две периодических зависимости в распределении коэффициента преломления. По меньшей мере одна из периодичностей или квазипериодичность коэффициента преломления запрещает излучение света в интервале углов, наклоненных относительно специально выбранного направления, например направления, перпендикулярного к плоскостям слоя. Предпочтительно светогенерирующий элемент, который испускает свет в определенном интервале углов, введен в один из слоев. Затем свет направляется в требуемый интервал углов. Устройство может содержать также резонатор. Вторая периодичная функция в распределении коэффициента преломления предпочтительно выбирается такой, чтобы обеспечить высокое отражение в вертикальном направлении, что создает первоклассные плоскостные лазеры с вертикальным резонатором (вертикально-излучающие лазеры). Эффективное подавление паразитных мод создает высокоскоростной режим работы устройства с прямой модуляцией интенсивности света.

Для еще одного варианта осуществления настоящего изобретения выбрана двойная периодичность в распределении коэффициента преломления для обеспечения излучения света в отклоняющемся от вертикали направлении. Вертикально интегрированное оптоэлектронное устройство с многослойным интерференционным отражателем и двумя периодичностями работает в качестве светоизлучающего диода, сверхлюминесцентного диода, лазерного диода, эмиттера одиночных фотонов или эмиттера связанных фотонов. Двойная периодичность в распределении коэффициента преломления обеспечивает высокую угловую селективность излученного света.

Краткое описание чертежей

На фиг.1(а) показан схематический чертеж известного из уровня техники устройства с торцевым излучением.

На фиг.1(b) показан схематический чертеж известного из уровня техники плоскостного лазера с вертикальным резонатором.

На фиг.2 показан схематический чертеж устройства, работающего в моде высокого порядка, например лазера с наклонным резонатором.

На фиг.3 показан схематический график распределения излучения в известном из уровня техники устройстве, изображенном на фиг.1(b).

На фиг.4 схематически показана полупроводниковая структура, включающая в себя плоскость оптических осцилляторов, излучающих на определенной длине волны света в вакууме или в изотропной среде. Излучение таких осцилляторов является изотропным.

На фиг.5(а) показан схематический чертеж устройства согласно фиг.1(b) по отношению к трем классам излучения: излучению типа вертикального резонатора, плоскостному волноводному излучению и наклонному излучению.

На фиг.5(b) показан схематический график распределения интенсивности для моды в устройстве с волноводным резонатором.

На фиг.5(с) показан схематический график распределения интенсивности для моды в устройстве с антиволноводным резонатором.

На фиг.6 показан схематический чертеж известного из уровня техники плоскостного лазера с вертикальным резонатором электронным модулированием интенсивности, который включает в себя резонатор с подстраиваемой длиной волны с модулирующим элементом, а также резонатор со светогенерирующим элементом.

На фиг.7(а) показан схематический график спектра оптического поглощения для резонансно-поглощающего элемента, включенного в известное из уровня техники устройство модуляторного резонатора, при нулевом и обратном напряжении. Квантово-ограниченный эффект Шторка вызывает красное смещение максимума поглощения и уширение пика.

На фиг.7(b) показан схематически модулируемый спектр коэффициента преломления для резонансно-поглощающего элемента, включенного в известное из уровня техники устройство модуляторного резонатора, при нулевом и обратном напряжении. Присутствует усиление коэффициента преломления на определенной длине волны (пунктирная вертикальная линия), которая может быть длиной волны лазерной генерации для плоскостного лазера с вертикальным резонатором.

На фиг.7(с) показан провал в графике коэффициента отражения для резонатора-модулятора с нулевым смещением.

На фиг.7(d) показан провал в коэффициенте отражения для резонатора-модулятора с обратным смещением. Отметим, что прозрачность лазера-модулятора увеличилась. Однако дальнейшее увеличение смещения может уменьшить прозрачность на той же длине волны.

На фиг.8(а) показан схематический чертеж представленного на фиг.6 устройства.

На фиг.8(b) показан схематический график абсолютной величины напряженности электрического поля для лазерной оптической моды для устройства согласно фиг.6, при этом модулятор находится в резонансном состоянии.

На фиг.8(с) показан схематический график абсолютной величины напряженности электрического поля для лазерной оптической моды для устройства согласно фиг.6, при этом модулятор находится в нерезонансном состоянии.

На фиг.9 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно лазера с поверхностным излучением и модуляцией по интенсивности, который согласно одному варианту настоящего изобретения включает в себя светогенерирующий элемент и распределенный брэгговский отражатель с настраиваемой шириной запрещенной зоны, при этом модулятор размещен внутри распределенного брэгговского отражателя. Излучение света может быть осуществлено как с поверхности, так и со стороны подложки. Возможен также обратный вариант для вертикальной ориентации отражателя с настраиваемой шириной запрещенной зоны и лазерного резонатора. Также могут быть использованы апертуры, ограниченные окислом.

На фиг.10(а) показан схематический график спектра поглощения для резонансно-поглощающего элемента, встроенного в модулятор-резонатор устройства при нулевом и обратном смещении. Квантово-ограниченный эффект Шторка вызывает красное смещение максимума поглощения и уширение пика.

На фиг.10(b) показан схематический график коэффициента преломления для резонансно-поглощающего элемента, встроенного в модулятор-резонатор устройства при нулевом и обратном смещении. Присутствует усиление коэффициента преломления на определенной длине волны (пунктирная вертикальная линия), которая может быть длиной волны лазерной генерации для плоскостного лазера с вертикальным резонатором.

На фиг.10(с) показан спектр отражения для модулятора-резонатора при нулевом смещении.

На фиг.10(d) показан спектр отражения для модулятора-резонатора при обратном смещении. Отметим, что прозрачность лазера-модулятора увеличилась. Дальнейшее увеличение напряжения будет уменьшать прозрачность на той же длине волны.

На фиг.11 показано возможное положение длин волн с лазерной генерацией по сравнению с модулированным краем запретной зоны в многослойном интерференционном отражателе.

На фиг.12(а) показан схематический чертеж изображенного на фиг.9 устройства.

На фиг.12(b) показан схематический чертеж профиля абсолютной величины напряженности электрического поля для лазерной оптической моды устройства согласно фиг.9, при этом модулятор находится в состоянии, обеспечивающем низкий коэффициент отражения для края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя.

На фиг.12(с) показан схематический чертеж профиля абсолютной величины напряженности электрического поля для лазерной оптической моды устройства согласно фиг.9, при этом модулятор находится в состоянии, обеспечивающем высокий коэффициент отражения для края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя.

На фиг.13 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно лазера с поверхностным излучением и модуляцией по интенсивности, который согласно другому варианту настоящего изобретения включает в себя светогенерирующий элемент и распределенный брэгговский отражатель с настраиваемой стоп-зоной, при этом модулятор размещен внутри распределенного брэгговского отражателя. Для обеспечения очень низкой емкости секции модулятора может применяться протонная бомбардировка или ионная имплантация в вершину мезы модулятора.

На фиг.14 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно лазера с поверхностным излучением и модуляцией по интенсивности согласно еще одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.15 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно лазера с поверхностным излучением и наклонным резонатором и с модуляцией по интенсивности, который включает в себя светогенерирующий элемент и многослойный интерференционный отражатель с настраиваемой шириной запрещенной зоны, при этом модулятор помещен внутрь многослойного интерференционного отражателя.

На фиг.16 показан вид в поперечном сечении лазера с торцевым излучением и электрооптической модуляцией, включающий в себя светогенерирующий элемент, многослойный интерференционный отражатель с настраиваемой шириной запрещенной зоны. Модуляция поглощения вызывает модуляцию интенсивности света на выходном волноводе.

На фиг.17 показан вид в поперечном сечении устройства согласно фиг.16 в перпендикулярной плоскости поперечного сечения.

На фиг.18 схематически показан принцип настройки длины волны плоскостного лазера с вертикальным резонатором настоящего изобретения с электрооптически настраиваемой шириной запрещенной зоны и брэгговским отражателем.

На фиг.18(а) схематически показано устройство, в котором второй брэгговский отражатель переключен в непрозрачное состояние.

На фиг.18(b) схематически показана напряженность электрического поля для резонансной оптической моды устройства, при этом второй РБО переключен в непрозрачное состояние.

На фиг.18(с) схематически показано устройство, в котором второй брэгговский отражатель переключен в прозрачное состояние.

На фиг.18(d) схематически показана напряженность электрического поля для резонансной оптической моды устройства, при этом второй РБО переключен в прозрачное состояние.

На фиг.19 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно лазера с поверхностным излучением и оптоэлектронной модуляцией длины волны согласно еще одному варианту настоящего изобретения.

На фиг.20 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно фотодетектора с резонансной полостью и оптоэлектронной модуляцией длины волны согласно еще одному варианту настоящего изобретения.

На фиг.21(а) показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно щелевого лазера с торцевым излучением, с оптоэлектронной модуляцией согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом многослойный интерференционный отражатель переключен в прозрачное состояние.

На фиг.21(b) показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно щелевого лазера с торцевым излучением, с оптоэлектронной модуляцией согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом многослойный интерференционный отражатель переключен в непрозрачное состояние.

На фиг.22(а) схематически показан оптический осциллятор, излучающий свет с определенной энергией фотона, соответствующей определенной длине волны в вакууме λ₀, при этом оптический осциллятор помещен в среду с модулированным коэффициентом преломления, так что излучение разрешено в некоторых направлениях, в то время как излучение в других направлениях является запрещенным.

На фиг.22(b) схематически показана периодическая слоистая структура с известными спектрами отражения, которые приведены на фигурах с 22(с) по 22(f).

На фиг.22(c)-22(f) показан известный из уровня техники оптический спектр отражения для периодической слоистой структуры в качестве функции угла падения света из соответствующей среды.

На фиг.22(с) показан известный из уровня техники оптический спектр отражения для периодической слоистой структуры согласно фиг.22(b) при угле падения света θ=65°. Выбранная длина волны света λ₀ выглядит расположенной в центре запрещенной зоны отражения при этом угле.

На фиг.22(d) показан известный из уровня техники оптический спектр отражения для периодической слоистой структуры согласно фиг.22(b) при угле падения света θ=55°.

На фиг.22(е) показан известный из уровня техники оптический спектр отражения для периодической слоистой структуры согласно фиг.22(b) при угле падения света θ=40°.

На фиг.22(f) показан известный из уровня техники оптический спектр отражения для периодической слоистой структуры согласно фиг.22(b) при нормальном угле падения света (θ=0°).

На фиг.23 схематически показано распределение оптического поля для одной из наклонных мод согласно фиг.5(b), имеющих самую высокую интенсивность в активной области. Можно видеть, в частности, что эта мода имеет максимум в активной области. Для наклонных мод с низкой интенсивностью в активной области фактор ограничения мал и соответствующее излучение является слабым. Таким образом, только определенный интервал углов вызывает высокие паразитные радиационные потери.

На фиг.24 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно еще одному варианту настоящего изобретения. РБО в этом устройстве имеют две периодичности. Первая периодичность обеспечивает РБО в составе VCSEL для поддержки вертикальной лазерной генерации, а вторая периодичность обеспечивает запрещенную зону для излучения света в соответствующем интервале углов.

На фиг.25(а) схематически показан профиль коэффициента преломления для РБО с одной периодичностью в стандартном прототипе устройства VCSEL.

На фиг.25(b) схематически показан профиль коэффициента преломления для РБО с двойной периодичностью в устройстве согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом вторая периодичность реализована с возрастающим коэффициентом преломления для компоненты с низким коэффициентом преломления. Показанная на фиг.25(b) двойная периодичность обеспечивает крупномасштабный период, содержащий восемь мелкомасштабных пар слоев. Четыре пары слоев из восьми образуют т.н. периодичность номер 1, а остальные четыре пары образуют т.н. периодичность номер 2.

На фиг.25(с) схематически показан профиль коэффициента преломления для РБО с двойной периодичностью в устройстве согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом вторая периодичность реализована с понижающимся коэффициентом преломления для компоненты с высоким коэффициентом преломления. Показанная на фиг.25(с) двойная периодичность обеспечивает крупномасштабный период, состоящий из восьми мелкомасштабных пар слоев. Четыре пары слоев из восьми образуют т.н. периодичность номер 1, а остальные четыре пары образуют т.н. периодичность номер 2.

На фиг.25(d) схематически показан профиль коэффициента преломления для РБО с двойной периодичностью в устройстве согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом вторая периодичность реализована через изменение относительной толщины в РБО, сохраняя на прежнем уровне мелкомасштабную периодичность. Показанная на фиг.25(с) двойная периодичность обеспечивает крупномасштабный период, который состоит из восьми пар мелкого масштаба. Четыре пары слоев из восьми образуют т.н. периодичность номер 1, а остальные четыре пары образуют т.н. периодичность номер 2.

На фиг.26 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом дополнительная часть нижнего распределенного брэгговского отражателя (РБО) добавлена в вариант осуществления устройства согласно фиг.24 и эта дополнительная часть РБО имеет отличный профиль коэффициента преломления по сравнению в РБО на фиг.24.

На фиг.27 показан схематический чертеж устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом устройство оптимизировано для наклонного изучения разрешенной компоненты света.

На фиг.28 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом одиночная периодичность РБО запрещает паразитные радиационные потери при больших углах наклона.

На фиг.29 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения, при этом двойная периодичность многослойного интерференционного отражателя оптимизирована для распространения света в плоскости и запрещает излучение в вертикальном и наклонном направлениях.

На фиг.30 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения, при этом оба РБО имеют две периодичности и один из слоев в каждой паре слоев в одной из периодических последовательностей образован из GaAlAs или AlAs и далее окислен с образованием частично окисленных слоев GaAlO или AlO.

На фиг.31 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения, при этом устройство по варианту осуществления на фиг.30 далее обрабатывается так, что частично окисленные слои GaAlO или AlO вытравливаются для образования воздушных зазоров.

На фиг.32 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения, при этом используются внутрирезонаторные контакты, оба РБО имеют две периодичности и один из слоев каждой пары слоев в одной из периодичностей образован из GaAlAs или AlAs и далее окислен с образованием полностью окисленных слоев GaAlO или AlO.

На фиг.33 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно другому варианту настоящего изобретения, при этом оба РБО имеют две периодичности и один из слоев каждой пары слоев в одной из периодичностей образован из GaAlAs или AlAs и далее окислен с образованием частично окисленных слоев GaAlO или AlO, далее обрабатывается так, что частично оксидные слои вытравливаются с образованием воздушных зазоров, при этом обработка проводится асимметрично, так что воздушные зазоры образуются в центральной части устройства.

На фиг.34 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно электрооптически настраиваемого плоскостного лазера с вертикальным резонатором и брэгговским отражателем, согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Устройство установлено для модулирования длины волны излучаемого света. Двойная периодичность вводится в один из брэгговских отражателей для подавления паразитных мод. Таким образом, устройство согласно фиг.34 позволяет независимо модулировать длину волны и интенсивность излучаемого света, при этом делать это с высокой скоростью.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает сверхбыстрый способ модуляции интенсивности света, испускаемого оптоэлектронным устройством. В изобретении раскрыто вертикально-интегрированное оптоэлектронное устройство, решающее проблему сверхбыстрой модуляции интенсивности света.

На фигуре 9 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства, а именно плоскостной лазера (900) с вертикальным резонатором с электрооптической модуляцией согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Модулятор интегрирован с многослойным интерференционным отражателем, например, в виде распределенного брэгговского отражателя (РБО). Варьируя приложенное к модулятору напряжение можно изменять коэффициент преломления. Тогда запрещенная зона РБО смещается к длине волны лазерного излучения, и это мешает проникновению излучения через верх РБО структуры. Таким образом, выходная интенсивность устройства модулируется. Таким образом, устройство работает в качестве плоскостного лазера с вертикальным резонатором (или вертикально-излучающий лазер, ВИЛ) и электронной настройкой длины волны для края стоп-зоны РБО, что позволяет модулировать интенсивность генерируемого лазерного света.

В показанном на фиг.9 варианте осуществления устройство (900) выращено методами эпитаксии предпочтительно на подложке (901) р-типа и включает в себя первый, или нижний, РБО (922), предпочтительно р-типа, светогенерирующий элемент (923) и второй, верхний, РБО (960). Предпочтительно верхний РБО (960) включает в себя первую часть (961), предпочтительно n-типа, и вторую часть (962), предпочтительно нелегированную, и третью часть (963), предпочтительно р-типа. Светогенерирующий элемент (923) предпочтительно включает в себя слаболегированный (р-типа) или нелегированный слой (925), активную область (926) и слой со слабым легированием (n-типа) или нелегированный слой (927).

Активная область (926) образована любой вставкой или комбинацией вставок, включая двойную гетероструктуру, квантовую яму, набор квантовых проволок, набор квантовых точек или их комбинации. Активная область генерирует свет, если через р-контакт (911) и n-контакт (912) приложено положительное смещение (913). В этом варианте осуществления распространяющийся по n-слою ток образуется (972) между первой частью (961) верхнего РБО (960) и второй частью (962) верхнего РБО (960). Апертуры (924) для тока вводятся между нижним РБО (922) и светоизлучающим элементом (923) и между светогенерирующим элементом (923) и верхним РБО (960).

Вторая часть (962) верхнего РБО (960) работает в качестве модуляторного элемента. Обратное смещение (993) приложено к нелегированной части (962) верхнего РБО (960) через n-контакт (912) и р-контакт (991). Предпочтительно модулятор включает в себя одиночные или многочисленные квантовые вставки (966) в форме одиночных или групповых квантовых ям, одиночных или многократных слоев квантовых проволок, одиночных или многократных слоев квантовых точек или их комбинации.

Фигура 10 схематически объясняет работу устройства. При обратном смещении приложенное к квантовым вставкам в области модулятора электрическое поле вызывает квантово-ограниченный эффект Штарка. Это приводит к смещению спектрального положения пика поглощения. Согласно соотношению Крамерса-Кронига между реальной и мнимой частями диэлектрических функций, изменение в спектре поглощения сопровождается соответствующим варьированием коэффициента преломления. Изменение в коэффициенте преломления модулятора ведет к смещению длины волны, соответствующей краю запрещенной зоны модулятора. Поэтому, прикладывая различные величины обратного смещения, возможно смещать длину волны края стоп-зоны в фильтрующем элементе. Это позволяет через модуляторный элемент перевести устройство в положение «закрыто» (минимум интенсивности света, выходящего из устройства). Альтернативно, может быть использован РБО с краем запрещенной зоны, что приводит к красному смещению от длины волны лазерного излучения.

Функциональность устройств согласно настоящему изобретению основана на электрооптическом эффекте, а именно на изменении коэффициента преломления в присутствии электрического поля. Если электрическое поле приложено перпендикулярно слоям, то полосы проводимости и валентности полупроводникового устройства склоняются из-за потенциала внешнего поля, который производит смещение энергетических уровней. Это создает меньшую энергию поглощения, и край поглощения смещается в сторону длинных длин волн. Этот эффект в объемном материале известен как эффект Франца-Келдыша (I. Galbraith, В. Ryvkin "Empirical determination of the electroabsorption coefficient in semiconductors", J. Appl. Phys. 74, 4145 (1993)). Изменение в коэффициенте поглощения Δα (электропоглощение) изменяет коэффициент преломления Δn (электрорефракция). Последняя величина может быть вычислена через преобразование Крамерса-Кронига (см. D.S. Chelma et al. "Room Temperature Excitonic Nonlinear Absorption and Refraction in GaAs/AlGaAs Multiple Quantum Well Structures", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-20 (3), pp.265-275 (1984)):

где символ P означает, что должно вычисляться главное значение интеграла, а с является скоростью света.

Явления квантово-ограниченных структур, типа квантовых ям, квантовых проволок или квантовых точек, в целом называются квантово-ограниченным эффектом Штарка. Для реальных электрических полей, в интервале от нуля до нескольких сотен кВ/см, электрорефракция описывается как сумма линейного электрооптического эффекта (эффект Покеля) и квадратичного электрооптического эффекта (эффект Керра) (см. J.E. Zucker, T.L. Hendrickson, and С.А. Burrus, "Electro-optic phase modulation in GaAs/AlGaAs quantum well waveguides", Applied Physics Letters, Vol.52 (12), pp.945-947 (1988)):

где F - напряженность электрического поля, n₀ - коэффициента преломления в нулевом электрическом поле, а r и s - линейный и квадратичный электрооптические коэффициенты.

В структурах GaAs/GaAlAs с квантовыми ямами квадратичный электрооптический эффект доминирует при электрическом поле около 50 кВ/см (см. J.S. Weiner et al., "Quadratic electro-optic effect due to the quantum-confined Stark effect in quantum wells", Applied Physics Letters, Vol.50 (13), pp.842-844 (1987), and J.E. Zucker et al. "Quaternary quantum wells for electro-optic intensity and phase modulation at 1.3 and 1.55 um", Applied Physics Letters, Vol.54 (1), pp.10-12 (1989)). Более того, квадратичный электрооптический коэффициент s в GaInAs/InP, GaInAsP/InP и GaAs/GaAlAs квантово-ямочных структурах обратно пропорционален расстройке Δω между энергией экситона в нулевом электрическом поле и энергией фотона ниже запрещенной энергетической зоны, при которой рассматривается коэффициент преломления,

Здесь n - так называемая добротность, которая оценивается как величина порядка 3×10^-5 меВ см² кВ^-2. Поведение (уравнение (4)) первоначально было изучено для квантовых ям с шириной от 6 до 10 нм и с расстройкой до 40 меВ. Электрооптический эффект уменьшается при большей расстройке (от 40 до 140 меВ) намного быстрее, чем по уравнению (4) (см. М.Р. Earnshow and D.W.E. Allshop, "Electrooptic Effects in GaAs-AlGaAs Narrow Coupled Quantum Wells", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.37 (7), pp.897-904, ibid. Vol.37 (8), p.1103(2001)).

Хотя пик поглощения экситона серьезно уменьшается при приложении электрического поля (см. L. Chen, К.С.Rajkumar, and A. Madhukar "Optical Absorption and Modulation Behavior of Strained InxGal-xAs/GaAs (100) (x<0.25) multiple quantum well structure grown via molecular beam epitaxy", Applied Physics Letters, Vol.57 (23), pp.2478-2480 (1990)), ширина линии экситона соответственно возрастает. Интегральное поглощение экситона пропорционально силе осциллятора, которая грубо оценивается как величина, прямо пропорциональная произведению пика поглощения на ширину линии экситона, и эта величина уменьшается гораздо медленнее или даже остается неизменной.

Сила экситонного осциллятора в довольно узкой квантовой яме остается независимой от приложенного электрического поля, если ширина квантовой ямы меньше чем половина Боровского радиуса экситона (см. Feng et al. "Exciton energies as a function of electric field: Confined quantum Stark effect", Physical Review B, Vol.48 (3), pp.1963-1966 (1993)). Для InGaAs-квантовых ям в GaAs это означает предпочтительно ширину 7 нм или меньше. Неизменная сила осциллятора предполагает неизменное интегральное поглощение для экситона. Кроме того, имеется информация о возрастающем электрооптическом эффекте в узких связанных квантовых ямах.

При выборе конкретных квантовых ям для модулятора в настоящем изобретении и при определении конкретных величин расстройки и электрического поля важно учитывать электрооптические эффекты и их теоретические модели, которые известны из вышеупомянутых публикаций. Указанные публикации приводятся в качестве ссылок.

В различных вариантах данного изобретения область модулятора работает при прямом смещении. Это вызывает эффект обесцвечивания экситона, который изменяет пик оптического поглощения и, таким образом, влияет на коэффициент преломления модулятора.

В еще одном варианте осуществления изобретения светоизлучающий диод с резонансной полостью включает в себя электрооптически модулируемый брэгговский отражатель. Прилагая смещение к брэгговскому отражателю или его части, возможно модулирование интенсивности выходящего из светоизлучающего диода света.

В еще одном варианте осуществления изобретения сверхлюминесцентный диод включает в себя электрооптически модулируемый брэгговский отражатель. Прилагая смещение к брэгговскому отражателю или его части, возможно модулировать интенсивность света, выходящего из сверхлюминесцентного светоизлучающего диода.

Фигура 10 показывает принцип работы плоскостного лазера с вертикальным резонатором и электронно-оптически настраиваемой длиной волны согласно фиг.9. Фигура 10(а) схематически показывает положение пика оптического поглощения, который согласно эффекту Штарка смещается из-за приложенного напряжения. Согласно соотношению Крамерса-Кронига между реальной и мнимой частями диэлектрической функции среды, сдвиг пика поглощения производит модуляцию коэффициента преломления модулятора, как показано на фиг.7(b). Модуляция коэффициента преломления модулятора ведет к длине волны края стоп-зоны модулирующей секции РБО из положения, изображенного на фиг.10(с), к положению, показанному пунктирной линией на фиг.10(d). Это смещение приводит к подавлению прозрачности модулятора и, таким образом, к меньшей выходной мощности устройства.

Возможны различные варианты осуществления изобретения, которые дают сдвиг края стоп-зоны в РБО. Пусть РБО состоит из чередующихся слоев, имеющих, при нулевом смещении, коэффициенты преломления n₁ и n₂. Тогда в одном из вариантов осуществления изобретения выбираются квантовые вставки, так что приложение обратного смещения приводит к увеличению коэффициентов преломления в обоих слоях.

что далее приводит к смещению длинноволнового края стоп-зоны в сторону еще больших длин волн. В другом варианте осуществления квантовые вставки выбираются так, что при приложенном обратном смещении коэффициенты обоих слоев изменяются в противоположных направлениях и оптический контраст увеличивается,

что также ведет к смещению длинноволнового края стоп-зоны в сторону больших длин волн.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения используется выход света через подложку. Если верхний РБО в непрозрачном состоянии имеет прозрачность, сравнимую или ниже прозрачности нижнего РБО, то мощность выходящего света через нижний РБО и подложку будет модулируемой. Таким образом, устройство будет работать в обоих направлениях, но состояния "вкл" и "выкл" будут обращены. А именно, переключение верхнего РБО в режим "выкл" ведет к усилению выхода света через нижний РБО, и наоборот.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения модулируется прозрачность нижнего РБО. Выходная мощность света через нижний РБО и подложку является также модулируемой.

Для еще одного варианта осуществления настоящего изобретения модулируется прозрачность нижнего РБО, а выход света через верхний РБО модулируется обратным образом.

В другом варианте осуществления изобретения область модулятора работает при прямом смещении. Прямое смещение дает эффект обесцвечивания экситона, что, в свою очередь, приводит к изменению коэффициента преломления области модулятора и сдвигу запрещенной зоны брэгговского отражателя в противоположную сторону.

Фигура 11 иллюстрирует тот факт, что прозрачность РБО может быть модулирована в обоих направлениях. Приложение к модулятору обратного смещения приводит к сдвигу спектральных характеристик в сторону больших длин волн. Это показано на фиг.11, на которой коэффициент оптического отражения РБО, показанный в виде сплошной линии, смещен к новому спектральному положению, показанному пунктирной линией. Если длина волны лазера выбрана как λ₁ или λ₂, то сдвиг спектра отражения для РБО ведет к росту отражения от РБО, и РБО становится менее прозрачным. Если длина волны лазера выбрана равной λ₃, то сдвиг спектра отражения для РБО ведет к снижению отражения от РБО, и тогда РБО становится более прозрачным.

Фигура 12(а) показывает схематическую диаграмму устройства согласно фиг.9 в упрощенной форме, показывая только некоторые элементы. Показанные элементы включают в себя подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, первый резонатор (включающий активную область), второй распределенный брэгговский отражатель и третий "модулирующий" распределенный брэгговский отражатель (который включает в себя модуляторные элементы) и контактную область, или четвертый распределенный брэгговский отражатель.

На фигуре 12(b) показан пространственный профиль для резонансной оптической моды устройства, в котором модулятор переключен в состояние, в котором коэффициент отражения для запрещенной зоны РБО не пересекается с длиной волны лазерной генерации. Фигура 12(b) показывает график абсолютной величины напряженности электрического поля в оптической моде. Поскольку ослабление оптической волны в модуляторе РБО отсутствует, то интенсивность поля в этой области существенно изменяться не может. Следовательно, выходная мощность света, пропорциональная интенсивности поля в воздухе, будет высокой.

Фигура 12(с) показывает пространственный профиль для резонансной оптической моды устройства, в котором модулятор переключен в отражающее, или непрозрачное, состояние. Фигура 12(с) приводит график абсолютной величины напряженности электрического поля в оптической моде. Для отражающего состояния РБО лазер генерирует свет при любой длине волны, которая не соответствует режиму прозрачности для РБО. Таким образом, оптическая мода лазера будет затухать внутри РБО. Следовательно, выходная мощность света, пропорциональная интенсивности поля в воздухе, будет слабой.

Путем изменения приложенного к модулятору напряжения смещения можно переключить устройство между прозрачным и непрозрачным состоянием. Поскольку край запрещенной зоны можно сделать как угодно крутым, то может быть реализована существенная глубина модулирования. Дополнительным преимуществом является тот факт, что для оптических поперечных мод высокого порядка с длинами волн короче, чем основная мода, соответствующая краю запрещенной зоны, длина волны также смещается в сторону коротких волн, что обеспечивает надежную работу для многомодовых устройств. Выходная мощность света варьируется между высокой и низкой интенсивностью.

Чтобы обеспечить работу устройства на высоких частотах, предпочтительно следует предпринять некоторые меры для того, чтобы уменьшить паразитную емкость области модулятора. На фигуре 13 показан схематический чертеж электрооптически модулируемого плоскостного лазера с вертикальным резонатором (1300) согласно другому варианту настоящего изобретения. Предпочтительно область под верхним р-контактом (991) подвергается протонной бомбардировке, что приводит к образованию области (1380) с высокой концентрацией дефектов и низкой проводимостью. Так, область (1380) образована из областей первоначально n-типа или р-типа, и они ведут себя как области собственного, то есть полуизолирующего, полупроводника. Для возможности приложения смещения (993) к квантовым вставкам (966) внутри модулятора, диффузия Zn осуществляется предпочтительно в лежащую под верхним р-контактом (991) область (1385). Благодаря диффузии Zn, часть полуизолирующей области превращается в высокопроводящую область р-типа, позволяющую прилагать смещение от р-контакта (991) к квантовым вставкам (966). Модулируемое лазерное излучение (1335) выходит через верхний РБО (960).

В еще одном варианте осуществления изобретения у верхнего РБО (960) отсутствует третья часть (963).

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения у верхнего РБО (960) отсутствует первая часть (961).

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения смещение (993) приложено ко всему верхнему РБО (960).

Модуляторный элемент (962) на фиг.9 и фиг.13 содержит n-i-p структуру. В другом варианте осуществления настоящего изобретения модулятор содержит n-i-n структуру. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения модулятор содержит p-i-p структуру. Здесь знак "i" означает область "intrinsic" (внутреннего) или с низким уровнем легирования.

На фигуре 14 показан схематический чертеж плоскостного лазера (1400) с вертикальным резонатором с электрооптической модуляцией согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Устройство (1400) имеет четыре контакта, что позволяет делать части верхнего РБО нелегированными, что снижает оптические потери в силу поглощения света свободными носителями заряда. Устройство (1400) выращивается методом эпитаксии на подложке (901) р-типа и включает в себя нижний РБО (922), который является предпочтительно р-типом, светогенерирующий элемент (923) и верхний РБО (1460). Предпочтительно верхний РБО (1460) включает в себя первую часть (1461), которая предпочтительно нелегирована или слабо легирована, вторую часть (1462), которая предпочтительно нелегирована, и третью часть (1463), которая предпочтительно нелегирована или слабо легирована.

Прямое смещение (913) к активной области (926) прикладывается в светогенерирующем элементе (923) через первый р-контакт (911), который является нижним контактом, и через первый n-контакт (1412), который является внутрирезонаторным контактом. Первый токопроводящий слой (1434) для распространения тока, который является слоем для n-тока, размещен между апертурой тока (924) и первой частью (1461) верхнего РБО (1460). Первый слой (1434) для распространения тока предпочтительно имеет сильное легирование по n-примеси. Первый n-контакт (1412) нанесен на первый токопроводящий слой (1434).

Вторая часть (1462) верхнего РБО (1460) является модулятором. Обратное смещение (1493) прикладывается к квантовым вставкам (966) через второй n-контакт (1492), который выполнен в виде внутрирезонаторного контакта, и второй р-контакт (1491), который выполнен в виде внутрирезонаторного контакта. Второй токопроводящий слой (1472), который является вторым слоем для n-тока, размещен между первой частью (1461) верхнего РБО (1460) и второй частью (1462) верхнего РБО (1460). Второй токопроводящий слой (1472) предпочтительно сильно легирован по n-примеси. Второй n-контакт (1492) помещен поверх второго слоя (1472) для n-тока. Третий токопроводящий слой (1473), который служит для распространения р-тока, помещен между второй частью (1462) верхнего РБО (1460) и третей частью (1463) верхнего РБО (1460). Третий токопроводящий слой (1473) предпочтительно сильно легирован по р-примеси. Второй р-контакт (1491) помещен поверх третьего токопроводящего слоя (1473).

Для обеспечения высокочастотного режима работы устройства (1400) предпочтительно должны быть приняты определенные меры для уменьшения паразитной емкости области модулятора. Предпочтительно область под вторым р-контактом (1491) подвергается протонной бомбардировке, что приводит к образованию области (1480) с высокой концентрацией дефектов и низкой проводимостью. Таким образом, область (1480) образована из областей первоначально n-типа или р-типа, и они ведут себя как области собственного, то есть полуизолирующего, полупроводника. Для обеспечения возможности приложения смещения (1493) к квантовым вставкам (966) внутри модулятора, осуществляется диффузия Zn в лежащую под верхним р-контактом (1491) область (1485). Благодаря диффузии Zn, часть полуизолирующей области превращается в высокопроводящую область р-типа, что позволяет прилагать смещение от р-контакта (1491) к квантовым вставкам (966).

Модулируемое лазерное излучение (1435) выходит через верхний РБО (1460).

Схожим образом может быть построен настраиваемый лазер с наклонным резонатором. На фигуре 15 показан схематический чертеж электрооптически модулируемого плоскостного лазера (1500) с наклонным резонатором согласно еще одному варианту настоящего изобретения. Электрооптически модулируемый плоскостной лазер (1500) с наклонным резонатором выращен методами эпитаксии на подложке (901), которая предпочтительно изготовлена по р-типу. Устройство включает в себя первый многослойный интерференционный отражатель, МИО (1522), который предпочтительно является структурой р-типа, светогенерирующий элемент (1523) и второй (верхний) МИО (1560). Верхний МИО (1560) предпочтительно включает в себя первую часть (1561), которая предпочтительно нелегирована или слабо легирована по n-типу, вторую часть (1562), которая предпочтительно нелегирована, и третью часть (1563), которая предпочтительно нелегированная или слаболегированная по р-типу. Светогенерирующий элемент (1523) предпочтительно включает в себя слаболегированный по р-типу или нелегированный слой (1525), активную область (1526), слаболегированный по n-типу или нелегированный слой (1527).

Активная область (1526) образуется за счет вставок или комбинаций вставок, включая двойную гетероструктуру, квантовую яму, совокупность квантовых проволок, совокупность квантовых точек или их комбинации. Активная область генерирует свет, когда прямое смещение (913) приложено через первый р-контакт (911) или первый n-контакт (1412). В этом варианте осуществления токопроводящий n-слой (1434) образован между светогенерирующим элементом (1523) и верхним МИО (1560). Вторая часть (1562) верхнего МИО работает в качестве модуляторного элемента. Обратное смещение (1493) приложено ко второй части (1562) верхнего МИО через второй n-контакт (1492) и второй р-контакт (1491). Предпочтительно модулятор включает в себя одиночные или групповые квантовые вставки (966), которые могут быть одиночными или групповыми квантовыми ямами, одиночными или групповыми квантовыми проволоками, одиночными или многократными слоями квантовых точек или их комбинациями.

Светогенерирующий элемент (1523) образует наклонный резонатор. Наклонный резонатор, первый МИО (1522) и второй МИО (1560) выбраны таким образом, что среди различных оптических мод мода с минимумом потерь в подложку и контакты является наклонной оптической модой (1590), в которой свет в резонаторе распространяется в направлении, наклоненном к обеим плоскостям р-n перехода и к нормали, проведенной к плоскости р-n перехода. Свет наклонной оптической моды (1590) распространяется через второй МИО (1560) и выходит из устройства в виде наклонного света (1535).

В еще одном варианте осуществления изобретения свет выходит из электрооптически настраиваемого наклонного резонатора в плоскостном лазере в виде вертикально распространяющегося света.

Фигуры 16 и 17 показывают схематическую диаграмму торцевого лазера (1600) с электронно-модулированной интенсивностью света в двух взаимно перпендикулярных поперечных плоскостях согласно еще одному варианту осуществления изобретения. На фигуре 16 показано поперечное сечение в вертикальной поперечной плоскости, которое является перпендикулярным направлению распространения лазерного излучения в торцевом эмиттере. На фигуре 17 показано поперечное сечение в вертикальной продольной плоскости, параллельной направлению распространения лазерного излучения в торцевом эмиттере. Активный резонатор (1523), первый (нижний) МИО (1522) и второй (верхний) МИО (1660) выбраны таким образом, что только одна наклонная оптическая мода (1590) имеет высокий оптический фактор удержания в активной области (1526) и низкие потери. Активный резонатор (1523) сопряжен с выходным волноводом (1630) через верхний МИО (1660). Выходной волновод (1630) ограничен вторым МИО (1660) и третьим отражателем (1640), который предпочтительно является затухающим отражателем. Благодаря различным коэффициентам отражения в активном резонаторе (1523) и выходном волноводе (1630), единственная комбинированная оптическая мода имеет различные эффективные углы в активном резонаторе и выходном волноводе. Это показано схематически в виде направлений оптической моды с различными углами наклона посредством сплошной линии (1690) в выходном волноводе (1630) и той же оптической моды, показанной схематически посредством замкнутой линии (1590) в активном резонаторе (1523). Таким образом, свет может выходить через волновод (1630), избегая эффекта полного внутреннего отражения на боковых торцах лазера. Приложение обратного смещения (1693) ко второму МИО (1660) через второй р-контакт (1691) и n-контакт (1412) вызывает приложение электрического поля в районе квантовых вставок (966). Это приводит к изменению коэффициентов преломления вставок и тем самым может усилить или ослабить проникновение лазерного излучения в выходной волновод (1630), таким образом, увеличить или уменьшить интенсивность лазерного излучения (1635). В предпочтительном варианте высокоотражающее покрытие (1616) нанесено на обратную грань, а антиотражательное покрытие (1617) нанесено на переднюю грань, так что лазер излучает свет только через переднюю грань.

В другом варианте осуществления изобретения создается лазер с распределенной обратной связью, то есть в выходной волновод (1630) вводится дифракционная решета для стабилизации устройства по длине волны.

При аналогичном подходе может быть получен светоизлучающий диод с электронной модуляцией интенсивности в качестве еще одного варианта осуществления изобретения.

Фигура 18 схематически показывает возможность построения настраиваемого по длине волны лазера, основанного на электрооптически модулируемом распределенном брэгговском отражателе (РБО). Фигура 18(а) схематически показывает основные элементы лазера, а именно первый РБО, резонатор с активной областью, второй РБО, состоящий из настраиваемой секции и ненастраиваемой секции. Если второй РБО переключен в непрозрачное состояние, то длина волны излучающего лазера определяется толщиной резонатора D₁. Фигура 18(b) показывает пространственный профиль резонансной оптической моды, а именно абсолютную величину напряженности электрического поля.

На фигуре 18(с) схематически показано то же устройство, но здесь второй РБО переключен в прозрачное состояние. Тогда настраиваемая секция РБО является прозрачной и может качественно рассматриваться в качестве части резонатора. Таким образом, устройство содержит эффективный резонатор с толщиной D₂>D₁, и длина волны лазерного излучения будет определяться модифицированной эффективной толщиной такого резонатора. На фигуре 18(d) схематически показан пространственный профиль резонансной оптической моды, а именно абсолютной величины напряженности электрического поля.

Когда такое устройство модулирует длину волны лазерного излучения, то является предпочтительным разделение модуляции длины волны и модуляции интенсивности и предотвращение последней. Поэтому для показанного на фиг.18 варианта изобретения предпочтительно иметь первый РБО слабее, чем второй РБО в состоянии прозрачности, так чтобы основной выход излучения шел через первый РБО и подложку. Т.к. при модуляции прозрачности второго РБО первый РБО не меняется, интенсивность лазерного излучения изменяться не будет. Возможно различное расположение секций относительно подложки, и, следовательно, могут быть реализованы как устройства с излучением через верх, так и через низ.

Похожий подход можно применить для настраиваемого по длине волны светоизлучающего диода с резонатором в качестве другого варианта осуществления данного изобретения.

На фигуре 19 показан схематический чертеж плоскостного лазера (1900) с вертикальным резонатором и электронной настройкой по длине волны согласно другому варианту данного изобретения. Работа устройства (1900) проясняется на фиг.18. Второй РБО (1960) включает в себя настраиваемую секцию (1962) и ненастраиваемую секцию (1963). Прилагая смещение (993) к настраиваемой секции (1962) второго РБО (1960), возможно настроить длину волны лазерного излучения (1935), излучаемого через подложку.

На фигуре 20 показан схематический чертеж фотодетектора (2000) с электронной настройкой по длине волны и резонансной полостью согласно другому варианту данного изобретения. Нулевое или обратное смещение (2013) приложено к р-n переходу в активом резонаторе (2023). Падающий на устройство внешний свет (2050) поглощается р-n переходом (2026), что порождает пары электрон-дырка, и, таким образом, генерирует фототок, который может быть измерен микроамперметром (2080). Приложение смещения (993) к настраиваемой секции (1962) верхнего РБО (1960) настраивает резонансную длину волны резонансной полости фотодетектора (2000).

На фигуре 21 показан схематический чертеж лазера (2100) с утечкой на основе брэгговского отражателя и настраиваемой запрещенной зоной согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Фигура 21(а) показывает лазер (2100) с утечкой, включающий в себя активный волновод (2110) с активной областью (2112), зажатой между нижним отражателем (2102) (который предпочтительно является отражателем с затухающим полем или плакированным слоем) и настраиваемым многослойным интерференционным отражателем (2160). Лазер генерирует излучение в моде оптической утечки, которая утекает в подложку (2101) и отражается обратно от дальней стороны подложки (2181), образуя наклонную оптическую моду (2191) внутри подложки. Свет выходит (2115) из устройства, образуя предпочтительно двухлепестковый луч. Необходимыми условиями для лазерной генерации является конструктивная интерференция лазерного излучения, распространяющегося от активной зоны через подложку к обратной поверхности подложки и обратно к активной зоне. Эти условия выполняются для определенных длин волн, что показано в виде пиков на фиг.21(с). Спектральный интервал между пиками является функцией угла утечки. Варьируя коэффициент преломления в слоях МИО (2160), изменяется коэффициент отражения для МИО. Это изменяет угол утечки. На фигуре 21(b) показано состояние устройства с малым углом утечки, показывающим оптическую моду в подложке (2192) и излучение (2165) для этого случая. Соответствующий спектр разрешенных оптических мод показан на фиг.21(d). В предпочтительном варианте осуществления уменьшение прозрачности МИО (2160) приводит к более слабому удержанию оптической моды в активном волноводе (2110) и, таким образом, большему углу утечки. Таким образом, фигуры 21(а) и 21(с) соответствуют непрозрачному состоянию МИО (2160), а фигуры 21(b) и 21(d) соответствуют прозрачному состоянию МИО.

Светоизлучающий диод с утечкой на основе брэгговского рефлектора с настраиваемой запрещенной зоной может быть построен аналогичным образом как еще один вариант осуществления данного изобретения.

При изготовлении любого оптоэлектронного устройства по настоящему изобретению, которое позволяет проводить модуляцию излучения, возможно управление интенсивностью испускаемого светового излучения. Такой метод управления включает в себя два этапа: калибровку и сам процесс управления.

Способ калибровки устройства включает в себя следующие шаги:

a) включение микроамперметра в ту же электрическую цепь, в которой к области модулятора прилагается смещение, при этом этот микроамперметр способен измерять фототок, сгенерированный в модуляторе при приложении обратного смещения,

b) независимое приложение смещения к области модулятора и к светогенерирующему элементу через электрические контакты,

c) электрооптическая настройка длины волны отражательного края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя относительно резонансной длины волны резонатора,

d) варьирование оптической прозрачности устройства, так чтобы выходная оптическая мощность варьировалась,

e) измерение фототока в электрической цепи секции модулятора при обратном смещении и измерение выходной оптической мощности устройства,

f) получение калибровочных кривых свет-фототок.

Когда устройство прокалибровано, может быть использован способ управления выходной мощности, при этом метод включает в себя этапы:

a) независимое приложение смещения к области модулятора и к светогенерирующему элементу через электрические контакты,

b) электрооптическая настройка длины волны края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя относительно резонансной длины волны резонатора,

с) варьирование оптической прозрачности устройства, так чтобы выходная оптическая мощность варьировалась,

d) измерение фототока в электрической цепи секции модулятора при обратном смещении и измерение выходной оптической мощности устройства, и

e) подстройка управляющего тока в цепи активного элемента для сохранения требуемой выходной мощности устройства с использованием калибровочных кривых свет-фототок.

Могут быть выполнены различные модификации. Для лучшего управления мод и лучшей эффективности выхода света могут быть использованы световые кристаллы. Могут быть сконструированы устройства с поверхностным излучением, которые работают при больших углах по отношению к нормали. Могут быть применены различные конструкции многослойного интерференционного отражателя, используемого в качестве брэгговского отражателя. Могут быть введены многочисленные секции. Фототок секции модулятора может быть использован для контроля неполадок или для настройки мощности.

Добавка дополнительных модулирующих секций позволяет применения в полупроводниковых оптических усилителях, преобразователях частоты или синхронных усилителях.

Дальнейшие варианты осуществления настоящего изобретения относятся к вертикально-интегрированному устройству, в котором введены средства для подавления паразитных оптических мод. Эти вертикально-интегрированные устройства могут быть использованы для прямой и непрямой модуляции интенсивности светового излучения. Идея подавления паразитных мод относится к оптическим свойствам многослойных структур при косом или наклонном падении света. Этот основной подход иллюстрируется на фиг.22. На фигуре 22(а) показана полупроводниковая структура (2200), в которой оптический осциллятор (2260), излучающий свет с определенной энергией фотона, соответствующей длине волны света в вакууме λ₀, помещен в среду (2250) с модулируемым коэффициентом преломления, то есть в многослойную структуру. Многослойная структура (2250) выбрана так, что свет может выходить (2235) в некоторых направлениях, в то время как он не может выходить в других направлениях (2265).

Фигуры с 22(b) no 22(f) иллюстрируют возможность запрета пропускания света через многослойную структуру в некоторых выбранных направлениях. На фигуре 22(b) схематически показана периодическая многослойная структура (2270), помещенная между первой средой (2230) и второй средой (2240). Свет (2221) попадает на периодическую многослойную структуру (2270) при угле наклона 9, частично отражается обратно (2222) и частично пропускается. Угол наклона 6 определяется относительно направления (2225), нормального к плоскостям слоев многослойной структуры (2270). Фигуры с 22(с) по 22(f) показывают известный из уровня техники вычисленный спектр коэффициента отражения для периодической многослойной структуры для случаев различных углов наклона распространяющейся поперечной электрической (ТЕ) электромагнитной волны, как описано в работе A. Yariv, P. Yen «Optical Waves in Crystals. Propagation and Control of Laser Radiation», Wiley, 1984, глава 6, которая включена сюда в качестве ссылки. Свет выходит из среды (2230) с коэффициентом преломления n₂=3,6, и такая структура включает в себя 15 периодов, каждый период далее включает в себя один слой с толщиной λ/2 и низким коэффициентом преломления n₂=3,4 и один слой с толщиной, равной λ/2, и с высоким коэффициентом преломления n₂=3,6. Среда (2240) за периодической структурой (2270) также имеет коэффициент преломления n₂=3,6. Коэффициент отражения отложен на графике в виде функции 1/λ, где λ есть длина волны для электромагнитной волны в вакууме. Фигуры с 22(с) по 22(f) воспроизводят известные из уровня техники графики из источника A. Yariv and P. Yen (Optical Waves in Crystals. Propagation and Control of Laser Radiation. Wiley, 1984, Chapter 6), где спектры отражения были отложены как функция частоты ω электромагнитной волны, а ω=с/λ, где с является скоростью света в вакууме.

Основные свойства спектров отражения, приведенных на фигурах с 22(с) по 22(f), являются следующими. При нормальном падении (θ=0), как показано на фиг.22(f), спектр коэффициента отражения обнаруживает узкие пички с малой амплитудой. По мере увеличения угла θ пички смещаются в сторону коротких длин волн, амплитуда пичков возрастает, и пички становятся шире. Это видно на фиг.22(е) для θ=40° и на фиг.22(d) для θ=55°. Уширенные пички образуют запрещенную зону с близким к 1 коэффициентом отражения. Это видно на фиг.22(d) для θ=55° и, более явно, на фиг.22(с) для θ=65°.

Пусть выбранная длина волны λ₀ будет в центре хорошо выявленной запрещенной зоны спектра отражения многослойной структуры (2270) при каком-то угле, скажем, θ=65°, как показано на фиг.4(f). Когда свет при этой длине волны почти полностью отражается обратно, то пропускание света через эту структуру почти полностью запрещено. Обращаясь опять к осциллятору (2260), вставленному в многослойную структуру (2250), как показано на фиг.4(а), следует отметить следующее. Основные свойства многослойной структуры остаются теми же и в случае, когда источник света, то есть оптический осциллятор (2260), вставлен в многослойную структуру. Это предполагает, что прохождение света через многослойную структуру может быть запрещено в некоторых направлениях, как показано на фиг.4(а).

Подход, который позволяет осуществить подавление паразитных мод в антиволноводном варианте VCSEL, связан с угловым распределением мод, показанных на фиг.5(b). Фигура 23 схематически показывает распределение оптического поля для одной из наклонных мод согласно фиг.5(b), которая имеет самую высокую интенсивность в активной области. Можно видеть, что эта мода имеет максимум интенсивности в активной области. Для наклонных мод с малой интенсивностью в активной области фактор удержания мал и соответствующее излучение будет слабым. Следовательно, только определенный интервал углов вызывает большинство паразитных радиационных потерь. Как только имеющие существенное пересечение с активной областью моды подавлены, уровень радиационных потерь может быть существенно снижен.

На фиг.24 показан схематический чертеж вертикально-интегрированного оптоэлектронного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Устройство (2400) включает в себя светогенерирующий элемент или резонатор (123), образованный между нижним распределенным брэгговским отражателем (РБО) (2422) и верхним РБО (2428). Как нижний РБО (2422), так и верхний РБО (2428) имеют две периодичности для коэффициента преломления, что позволяет интегрировать некоторое количество субструктур. В представленном на фиг.24 варианте осуществления изобретения две периодичности для коэффициента преломления реализованы следующим образом. Нижний РБО (2422) и верхний РБО (2428) имеют крупномасштабный период (2420). Каждый крупномасштабный период (2420) включает в себя несколько парных слоев (2411), образующих первую периодичность, и несколько пар слоев (2412), образующих вторую периодичность. В частном варианте осуществления изобретения согласно фиг.24 первая периодичность реализуется из четырех пар слоев (2411), а вторая периодичность реализуется другим набором из четырех пар слоев (2412). Первая периодичность предусматривает РБО (в составе VCSEL) для поддержки вертикальной генерации света (2435), а вторая периодичность предусматривает запрещенную зону для радиационной рекомбинации с излучением в определенном интервале углов. Кроме излучения в вертикальной моде (2435), устройство (2400) способно излучать свет в наклонных модах (2455) в узком интервале углов, близких к направлению нормали к поверхности. Общий вид и геометрия контактов такого устройства могут быть схожи с таковыми, имеющимися у известного из уровня техники устройства согласно на фиг.1(b). Запрет паразитных мод увеличивает эффективность извлечения света и дифференциальное усиление в данном устройстве, позволяющее также высокоскоростную работу устройства в режиме прямой модуляции интенсивности света.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения только верхний РБО имеет двойную периодичность в распределении коэффициента преломления. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения только нижний РБО имеет двойную периодичность в распределении коэффициента преломления.

Число пар, которые образуют первую периодичность и вторую периодичность, могут отличаться между собой, а также отличаться от четырех. Предпочтительное число пар в каждой периодичности, образующее крупномасштабный период внутри РБО, может быть между двумя и десятью парами. Возможен и другой вариант осуществления настоящего изобретения, когда одна из периодичностей содержит только один период. Таким образом, например, крупномасштабный период может содержать несколько мелкомасштабных периодов, соответствующих первой периодичности, и один период, соответствующий второй периодичности. В еще одном варианте осуществления данного изобретения возможен вариант, когда крупномасштабный период содержит один период, соответствующий первой периодичности, и один период, соответствующий второй периодичности.

Двойная периодичность может быть реализована различными путями. На фигуре 25 представлены несколько примеров, которые можно продолжать и далее. Для сравнения, на фигуре 25(а) схематически показан профиль коэффициента преломления в РБО с единственной периодичностью в стандартном, известном из уровня техники устройстве VCSEL. На фигуре 25(b) схематически показан профиль коэффициента преломления в РБО с двойной периодичностью в показанном на фиг.24 устройстве, в котором вторая периодичность реализована через повышение коэффициента преломления слоев с относительно низким коэффициентом преломления. На фигуре 25(с) схематически показан профиль коэффициента преломления в РБО с двойной периодичностью для показанного на фиг.24 устройства, в котором вторая периодичность реализована через понижение коэффициента преломления слоев с относительно высоким коэффициентом преломления. На фигуре 25(d) схематически показан профиль коэффициента преломления в РБО с двойной периодичностью для показанного на фиг.24 устройства, в котором вторая периодичность реализована через изменение относительной толщины слоев РБО при сохранении той же мелкомасштабной периодичности.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения включает в себя тройную или многократную периодичность в РБО.

На фигуре 26 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (2600) согласно другому варианту осуществления данного изобретения. В дополнение к устройству согласно фиг.24, устройство (2600) включает в себя нижний РБО (2642), содержащий также первую секцию (2422) с двойной периодичностью и вторую секцию (2622), имеющую отличающийся профиль коэффициента преломления. Эта часть (2622) может быть использована для дальнейшего подавления наклонных мод или, напротив, для обеспечения высокого отражения вертикальной моды и может сама иметь двойную или многократную периодичность. Предпочтительно устройство (2600) выбрано для излучения света в вертикальной моде (2635) и в наклонных модах (2655) в узком интервале углов, близком к направлению нормали к поверхности.

На фигуре 27 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (2700) согласно еще одному варианту осуществления данного изобретения. Устройство (2700) включает в себя резонатор (123), помещенный между нижним многослойным интерференционным отражателем (МИО) (2722) и верхним МИО (2728). Нижний МИО (2722) и верхний МИО (2728) имеют две периодичности. Две периодичности реализованы следующим образом. Нижний МИО (2722) и верхний МИО (2728) имеют крупномасштабный период (2720). Каждый крупномасштабный период (2720) включает в себя несколько пар (2711) слоев, образующих первую периодичность, и несколько пар (2712) слоев, образующих вторую периодичность. В частичном варианте (2700) осуществления, показанном на фиг.27, первая периодичность образована посредством четырех пар (2711) слоев, а вторая периодичность составлена из четырех пар (2712) слоев. Как первая периодичность, так и вторая периодичность являются оптимизированными для наклонного излучения разрешенного компонента (2765). Кроме излучения в оптимальном направлении (2765), излучение имеет место (2775) также в определенном интервале углов вокруг оптимального направления. Такая конструкция может быть выгодна для устройства, работающего в моде наклонного резонатора. Если излучение имеет максимум интенсивности в направлении, наклоненном относительно направления (2791), проведенного по нормали к плоскости поверхности, то световое излучение обычно имеет многолепестковый характер, в зависимости от формы оптической апертуры в плоскости поверхности. Если оптическая апертура на плоской поверхности имеет прямоугольную форму, то форма излучения в дальней зоне имеет двухлепестковую или четырехлепестковую картину, и лепестки наклонены на тот же полярный угол относительно направления (2791), проведенного нормально к плоскости поверхности, но при различных азимутах. Если оптическая апертура на плоской поверхности имеет округлую форму, то форма излучения в дальней зоне имеет предпочтительно коническую форму, что соответствует излучению света при определенном полярном угле и равномерно распределенному по всем азимутам.

На фигуре 28 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (2800) согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство (2800) включает в себя резонатор (123), помещенный между нижним РБО (2842) и верхним РБО (2828). Нижний РБО (2842), далее, включает в себя первую часть (2832) и вторую часть (2822). Первая часть (2832) нижнего РБО (2842) имеет одну периодичность. Вторая частью (2822) нижнего РБО (2842) имеет также одну периодичность. Первая часть (2832) нижнего РБО (2842) выбирается такой, чтобы подавить паразитные радиационные потери при наклонных углах. Дополнительная, вторая, часть (2822) нижнего РБО (2842) используется для получения высокого коэффициента отражения оптической моды, распространяющейся в вертикальном отражении. Две части нижнего РБО (2842) могут рассматриваться в качестве различных реализаций двойной периодичности. Свет излучается из устройства (2800) в вертикальной моде (2835). Некоторые наклонные моды (2855) также излучаются при малых или умеренных углах наклона по отношению к нормали, проведенной к плоской поверхности.

Для специалистов в данной области на основании приведенного описания будет очевидно, что оптоэлектронное устройство с резонатором, образованным между двумя РБО или двумя МИО, при этом по меньшей мере один из РБО или МИО имеет две периодичности, может быть реализовано различными путями. В одном варианте осуществления изобретения излучение света может проходить через подложку. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения свет может выходить через выходное зеркало ближней зоны. Однако все возможные модификации служат цели подавления паразитных наклонных мод путем применения специальной структуры с периодическим или квазипериодическим распределением коэффициента преломления.

На фигуре 29 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (2900) согласно другому варианту осуществления данного изобретения. Устройство (2900) включает в себя резонатор (123), помещенный между нижним многослойным интерференционным отражателем (МИО) (2922) и верхним МИО (2928). Как нижний МИО (2922), так и верхний МИО (2928) имеют две периодичности. Эти две периодичности реализованы следующим образом. Как нижний МИО (2922), так и верхний МИО (2928) имеют крупномасштабный период (2920). Каждый крупномасштабный период (2920) включает в себя несколько пар слоев (2911), образующих первую периодичность, и несколько пар слоев (2912), образующих вторую периодичность. В конкретном варианте (2900), показанном на фиг.29, первая периодичность образована из четырех пар (2911) слоев и вторая периодичность образована из четырех пар (2912) слоев. Эта двойная периодичность многослойных интерференционных отражателей оптимизирована для распространения излучения в плоскости и запрета на излучение в вертикальном или наклонном направлении. Таким образом, излучение подавляется в вертикальном и наклонном (2955) направлениях и излучение происходит только для планарной оптической моды (2995). Подавление вертикальных и наклонных мод является особо преимущественным для устройств с торцевым излучением, таких как лазерные диоды с торцевым излучением, и может вести к существенным улучшениям характеристик по порогу тока, температурной стабильности и дифференциальному усилению.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя лазер с торцевым излучением и распределенной обратной связью. Другим вариантом осуществления данного изобретения является оптоэлектронное устройство, которое работает в качестве составного лазера с торцевым излучением.

На фигуре 30 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (3000) согласно другому варианту осуществления данного изобретения. Устройство (3000) включает в себя резонатор (123) между нижним РБО (3022) и верхним РБО (3028). Подложка (101) соприкасается с нижним РБО (3022) с противоположной резонатору (123) стороны. Нижний контакт (111) нанесен на обратную сторону подложки (101), то есть на сторону, противоположную нижнему РБО (3022). Верхний контактный слой (3029) прилегает к верхнему РБО (3028) на стороне, противоположной резонатору (123). Верхний контакт (112) наносится на верхний контактный слой (3029) на стороне, противоположной верхнему РБО (3028). Активная область (126) находится внутри резонатора (123). Прямое смещение (113) подается на активную область (126) через нижний контакт (111) и верхний контакт (112). В варианте осуществления изобретения согласно фиг.30 подложка (101) и нижний РБО (3022) являются предпочтительно n-типа, а нижний контакт (111) является n-контактом. Верхний РБО (3028) и верхний контактный слой (3029) являются предпочтительно р-типа, а верхний контакт (112) является р-контактом.

Как нижний РБО (3022), так и верхний РБО (3028) имеют крупномасштабный период (3020). Каждый крупномасштабный период (3020) включает в себя несколько пар (3011) слоев, которые образуют первую периодичность, и несколько пар слоев (3012), которые образуют вторую периодичность. В частном варианте осуществления (3000), показанном на фиг.30, первая периодичность образована из четырех пар (3011) слоев и вторая периодичность образована из четырех пар (3012) слоев. Устройство (3000) выращено эпитаксиальным способом на подложке (101), а слои нижнего РБО (3022) и слои верхнего РБО (3028) выращены эпитаксиальным способом из материалов, выбранных из группы, состоящей из GaAs, AlAs, и сплава полупроводников GaAlAs. Вторая периодичность образована из пар (3012), содержащих по одному слою из каждой пары, образованному из AlAs или GaAlAs с высоким содержанием Al, предпочтительно выше чем 90%. Выращенное по эпитаксиальной технологии и обработанное устройство далее окисляется так, что слои AlAs частично окислены и внешняя часть этих слоев образует слои AlO, а слои GaAlAs с высоким содержанием Al частично осилены с образованием слоев GaAlO. Окислы образуют внешнюю часть (3063) окисленного слоя, в то время как полупроводниковые слои (3062) в центральной части структуры остаются неокисленными. Окислы GaAlO и АlO являются диэлектриками, и ток течет через неокисленные части (3062) слоев.

Основной эффект введения окисных слоев связан с их коэффициентом преломления. Контраст в коэффициенте преломления для РБО для пары полупроводник/оксид гораздо выше, чем для случая РБО только из полупроводника. Так, для длины волны, близкой к 980 нм, коэффициент преломления GaAs равен 3,53, а для AlAs равен 2,97. В то же время коэффициент преломления для оксида AlO равен приблизительно 1,6. То есть введение периодичности в РБО с высоким контрастом в коэффициенте преломления усиливает возможности по управлению угловым распределением светового излучения. В устройстве (3000) окисные слои в РБО подавляют излучение света в наклонных направлениях (3065), и поэтому свет предпочтительно излучается в вертикальном направлении (3035).

Возможен еще один вариант осуществления данного изобретения, в котором слои GaAlAs с высоким содержанием Аl имеют различное содержание Аl. Тогда скорость окисления слоев с более высоким содержанием Аl выше и глубина окисления будет больше. Такие слои имеют более широкие зоны окисления. Это создает дополнительные возможности для управления угловым излучением оптоэлектронного устройства.

На фигуре 31 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (3100) согласно следующему варианту осуществления данного изобретения. В этом варианте осуществления устройства нижний РБО (3122) и верхний РБО (3128) имеют крупномасштабный период (3120). Каждый крупномасштабный период (3120) включает в себя несколько пар (3111) слоев, образующих первую периодичность, и несколько парных слоев (3112), образующих вторую периодичность. В частном варианте осуществления (3100), показанном на фиг.31, первая периодичность образуется из четырех пар (3111) слоев и вторая периодичность образуется из четырех пар (3112) слоев. Устройство (3100) выращено по технологиям эпитаксии на подложке (101), а слои нижнего РБО (3122) и слои верхнего РБО (3128) выращены методами эпитаксии из материалов из группы, состоящей из GaAs, AlAs, или сплава полупроводников GaAlAs. Вторая периодичность образуется за счет пар (3112) слоев, при этом один слой из пары образован из AlAs или GaAlAs с высоким содержанием Al, предпочтительно выше 90%. Выращенное методами эпитаксии и обработанное устройство далее подвергается окислению, так что слои AlAs частично окислены и внешняя часть таких слоев образует слои AlO, и при этом слои GaAlAs являются частично окисленными, а внешняя часть таких слоев образует слои GaAlO. Окислы образуют внешнюю часть окисленных слоев, в то время как полупроводниковые слои (3162) в центральной части структуры остаются неокисленными. Далее, окисленные внешние части слоев подвергаются травлению для формирования воздушных зазоров (3163). Поскольку коэффициент преломления воздуха близок к 1, то введение воздушных зазоров усиливает контраст в коэффициенте преломления в РБО даже по сравнению с РБО типа полупроводник/оксид согласно фиг.30. Таким образом, введение воздушных зазоров (3163) усиливает возможности управления угловым распределением светового излучения. В устройстве (3100) воздушные зазоры (3163) в РБО подавляют излучение света в наклонных направлениях (3165), и свет излучается предпочтительно в вертикальном направлении (3135).

На фигуре 32 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (3200) согласно другому варианту осуществления данного изобретения. В этом варианте осуществления окисленные слои РБО окислены полностью, РБО электрически изолированы, а смещение к активной области подается через внутриполостные контакты. Устройство (3200) включает в себя резонатор (123), в котором размещена активная область (126). Резонатор (123) помещен между нижним РБО (3222) и верхним РБО (3228). Первый токопроводящий слой (3271) n-типа размещен между резонатором (123) и нижним РБО (3222). Второй токопроводящий слой (3272) р-типа размещен между резонатором (123) и верхним РБО (3228). Токовые апертуры (3273) размещены между резонатором (123) и первым токопроводящим слоем (3271) и между резонатором (123) и вторым токопроводящим слоем (3272). Первый контакт (3291), который является n-контактом, нанесен на первый токопроводящий слой (3271) n-типа. Второй контакт (3292), который является р-контактом, нанесен на второй токопроводящий слой (3272) р-типа. Прямое смещение (3293) прикладывается к активной области (126) через первый контакт (3291) и второй контакт (3292). Предпочтительно резонатор (123) нелегирован или слабо легирован. Ток инжекции течет через первый токопроводящий слой (3271) n-типа, через резонатор (123) с активной областью (126) и через второй токопроводящий слой (3272) р-типа. Нижний РБО (3222) и верхний РБО (3228) предпочтительно нелегированы для уменьшения поглощательных потерь, вызванного поглощением носителей. Текущий через активную область ток инжекции генерирует оптическое усиление в активной области. Таким образом, в активной области генерируется свет. Нижний РБО (3222) и верхний РБО (3228) выбраны таким образом, чтобы управлять угловым излучением света.

Нижний РБО (3222) и верхний РБО (3228) имеют крупномасштабный период (3220). Каждый крупномасштабный период (3220) включает в себя несколько пар (3211) слоев, образующих первую периодичность, и несколько пар (3212) слоев, образующих вторую периодичность. В показанном на фиг.32 частном варианте осуществления (3200) первая периодичность образована посредством четырех пар слоев (3211) и вторая периодичность образована посредством четырех пар слоев (3212). Устройство (3200) выращено методами эпитаксии на подложке (101), а слои нижнего РБО (3222) и слои верхнего РБО (3228) выращены методами эпитаксии из материалов, выбранных из группы, состоящей из GaAs, AlAs, и сплавов полупроводников GaAlAs. Вторая периодичность, образованная парами (3212) слоев, содержит один слой в каждой паре, образованный из AlAs или GaAlAs с высоким содержанием Al, предпочтительно выше чем 90%. Выращенное по технологии эпитаксии и обработанное должным образом устройство далее подвергается окислению, так что слои AlAs становятся полностью окисленными и образуют слои AlO и слои GaAlAs с высоким содержанием Al являются полностью окисленными и образуют слои GaAlO. Оксидные слои (3263) имеют высокий контраст в коэффициенте преломления со смежными полупроводниковыми слоями, что увеличивает возможность управления угловым распределением светового излучения. В устройстве (3200) окисные слои в РБО подавляют излучение в наклонных направлениях (3265), и поэтому свет предпочтительно излучается в вертикальном направлении (3235).

На фигуре 33 показан схематический чертеж оптоэлектронного устройства (3300) согласно еще одному варианту осуществления данного изобретения. Резонатор (123) с активной областью (126) помещен между нижним РБО (3322) и верхним РБО (3328). Как нижний РБО (3322), так и верхний РБО (3328) имеют крупномасштабный период (3120). Каждый крупномасштабный период (3320) включает в себя несколько пар (3311) слоев, образующих первую периодичность, и несколько пар (3312) слоев, образующих вторую периодичность. В показанном на фиг.33 частном варианте (3300) первая периодичность образована посредством четырех пар (3311) слоев и вторая периодичность образована посредством четырех пар (3312) слоев. Устройство (3300) выращено методами эпитаксии на подложке (101), и слои нижнего РБО (3322) и слои верхнего РБО (3328) выращены методами эпитаксии из материалов из группы, состоящей из GaAs, AlAs, или сплава полупроводников GaAlAs. Вторая периодичность образована посредством пар (3112) слоев, при этом один слой в каждой паре образован из компонентов AlAs или GaAlAs с высоким содержанием Al, предпочтительно выше чем 90%. Выращенное методами эпитаксии и обработанное устройство далее подвергается окислению, так чтобы слои AlAs были частично асимметрично окислены с одной части устройства (3300), образуя слои AlO, и слои GaAlAs с высоким содержанием Аl частично асимметрично окислены с одной стороны устройства (3300), образуя слои GaAlO. Оксиды образуются на той стороне, где устройство (3300) подвергается окислению, а также в центральной части устройства (3300). Окисленные части слоев далее подвергаются травлению для формирования воздушных зазоров (3363). Механическое единство устройства (3300) поддерживается с помощью неокисленных и непротравленных частей (3362) слоев. Эти же неокисленные и непротравленные части (3362) слоев обеспечивают прохождение тока через активную область (126). Поскольку коэффициент преломления для воздуха близок к 1, то введение воздушных зазоров увеличивает контраст для коэффициентов преломления в РБО, а также способствует выработке вертикальной оптической моды. Следовательно, введение воздушных зазоров (3363) увеличивает возможность управления угловым распределением светового излучения. В устройстве (3300) воздушные зазоры (3363) в РБО подавляют излучение света в наклонных направлениях (3365), и свет, таким образом, излучается предпочтительно в вертикальном направлении (3335).

В другом варианте осуществления данного изобретения оптоэлектронное устройство с несимметрично расположенными воздушными зазорами может быть выбрано так, что свет излучается предпочтительно в наклонном направлении. В этом случае из-за отсутствия симметрии можно получить однолепестковую картину излучения. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения оптоэлектронное устройство подвергается окислению несимметричным образом и не подвергается травлению. Асимметрично расположенные оксидные слои позволяют выпускать свет в наклонном направлении в виде однолепестковой картины излучения в зоне Фраун гофера.

Различные варианты осуществления данного изобретения возможны в связи с различными путями изготовления обычных VCSEL. Активные среды, осуществленные в виде квантовых ям с однослойной или многослойной структурой, совокупность квантовых проволок, совокупность квантовых точек и их комбинации могут содержать слои с несогласованной решеткой.

В другом варианте осуществления изобретения вся структура устройства выращена на метаморфическом (с пластической релаксацией) буфере, который имеет несогласованную постоянную решетку относительно подложки. Верхний РБО или верхний МИО могут быть получены из полупроводниковых или диэлектрических слоев или из любых их комбинаций. В существующей технологии известны различные комбинации материалов (например, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Fabrication. Characterization, and Applications by CW. Wilmsen, H. Temkin, L.A. Coldren (editors), Cambridge University Press, 1999, pp.193-232, статья включена в настоящий документ в качестве ссылки). Далее, оптоэлектронное устройство может содержать один внутриполостной контакт или два внутриполостных контакта. По меньшей мере, один слой в составе РБО является диэлектрическим слоем, и соответствующий контакт должен быть внутриполосным контактом, как показано для устройства (3200) в варианте на фиг.32. Если все слои являются полупроводниковыми слоями, то внутриполостные контакты могут использоваться в качестве дополнительного варианта.

Важно отметить большую разницу между оптоэлектронным устройством согласно изобретению, имеющим РБО, МИО и двойную периодичность, и лазером с наклонным резонатором, который был изложен авторами настоящего изобретения в патентной заявке США "TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME", заявка на выдачу патента США 10/943044, поданная H. Леденцовым и В. Щукиным 16 сентября 2004 года. Лазер с наклонным резонатором (TCL), включая лазер с наклонным и плоским резонатором, ориентирован на работу со стабилизированной длиной волны, реализованной через разработку нужных оптических потерь. Оптимальная длина волны для TCL определяется пересечением дисперсионного соотношения для резонатора и дисперсионного соотношения для МИО. Длина волны, при которой пересекаются эти две кривых, соответствует минимальным оптическим потерям. Лазерная генерация происходит при этой оптимальной длине волны, и работа лазера TCL является стабилизированной по длине волны. Двойная периодичность может быть использована в МИО в одном из вариантов осуществления TCL в качестве средства проектирования оптических потерь и для фильтрации паразитных длин волн от желаемой оптимальной длины волны.

Напротив, оптоэлектронное устройство, то есть светоизлучающий диод или лазерный диод, согласно настоящему изобретению не включает в себя задачу проектирования потерь. Стабилизация по длине волны не является целью данного изобретения. Оптоэлектронное устройство настоящего изобретения может работать без стабилизации по длине волны. В других вариантах осуществления изобретения стабилизация длины волны излучаемого света для описанного устройства может быть достигнута не по критерию минимальных потерь в эпитаксиальной структуре, а по обычным механизмам, применимым в существующих VCSEL, например с помощью конечной боковой оксидной апертуры (аналогично апертуре (3273) в устройстве (3200)).

В других вариантах осуществления настоящего изобретения РБО или МИО с электрооптическим модулированием, с одной стороны, и РБО или МИО с двойной периодичностью, с другой, могут сочетаться для дальнейшего улучшения функционирования такого устройства. На фигуре 34 показан схематический чертеж настраиваемого плоскостного лазера с вертикальным резонатором и с электрооптически модулируемой длиной волны согласно еще одному варианту осуществления данного изобретения. Устройство (3400) относится к вышеописанному варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.19. По сравнению с устройством (1900), устройство (3400) включает в себя нижний РБО (3422), имеющий две периодичности. Две периодичности осуществлены следующим образом. Нижний РБО (3422) имеет крупномасштабный период (3420). Каждый крупномасштабный период (3420) включает в себя несколько парных слоев (3411), образующих первую периодичность, и несколько пар (3412) слоев, образующих вторую периодичность. В частном варианте осуществления изобретения (3400), показанном на фиг.34, первая периодичность образована посредством трех пар (3411) слоев и вторая периодичность образуется из трех пар (3412) слоев. И первая периодичность, и вторая периодичность оптимизированы для генерации вертикального излучения разрешенных компонент света (3435) и подавления наклонных оптических мод.

Один из возможных режимов работы устройства (3400) является следующим. Подавление паразитных оптических мод обеспечивается с помощью двойной периодичности в нижнем РБО (3422), что позволяет проводить быструю прямую модуляцию активного резонатора (923). Таким образом, модулируется интенсивность излучения. Модуляторная секция (1962) позволяет проводить быструю модуляцию длины волны излучения, как было также описано ранее для устройства (1900). Следовательно, при особой потребности можно проводить быструю модуляцию как интенсивности, так и длины волны излучения.

В ином варианте осуществления настоящего изобретения двойная периодичность вводится в электрооптически модулируемый РБО или МИО. Двойная периодичность может быть использована для одной из немодулируемых частей электрооптически модулируемых РБО или МИО. Для еще одного осуществления настоящего изобретения двойная периодичность вводится в модулятор. Возможен также альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором двойная периодичность вводится во все секции электрооптически модулируемых РБО или МИО. Согласно другому варианту осуществления данного изобретения двойная периодичность вводится во все РБО или МИ отражатели устройства.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения оптоэлектронное устройство не содержит резонатора, и активная область размещена в одном из слоев РБО или МИО. РБО или МИО имеет двойную периодичность, запрещающую излучение света в интервале углов, наклонных относительно умышленно выбранного направления светового излучения.

Из вышеизложенного становится понятно, что определенные признаки изобретения, которые для ясности были описаны в контексте отдельных вариантов осуществления изобретения, также могут быть предусмотрены в виде комбинаций этих черт в едином варианте осуществления. И напротив, различные черты изобретения, которые для краткости описаны в контексте одного варианта осуществления изобретения, могут быть обеспечены отдельно или в любой подходящей комбинации.

Хотя изобретение было описано в связи с конкретными вариантами его осуществления, является очевидным, что различные альтернативы, модификации и вариации будут понятны специалисту в данной области. Таким образом, под раскрытие изобретения попадают все подобные альтернативы, модификации и вариации, которые соответствуют духу и широким рамкам последующей формулы изобретения. Все публикации, патентные и непатентные ссылки включены в настоящий документ посредством ссылки в своей полноте в описание патента в той же мере, как если бы отдельные публикации, патенты и патентные заявки были бы индивидуально отмечены включенными по ссылке. Кроме того, цитаты или идентификации по ссылке не должны быть истолкованы как допущение того, что такая ссылка включена в качестве области известного уровня техники для данного изобретения.

Данное изобретения не должно быть истолковано как ограниченное вышеописанными конкретными вариантами осуществления, но включает в себя все возможные варианты осуществления изобретения в пределах определенного круга и эквивалентов различных признаков, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, следует понимать, что варианты осуществления изобретения приведены лишь для пояснения приложения принципов изобретения. Ссылки на детали пояснительных вариантов изобретения не ограничивают объем охраны формулы изобретения, которая приводит эти признаки, являющиеся важными для изобретения.

Следующие патентные и непатентные ссылки включены в настоящий документ посредством ссылки в своей полноте:

Вертикально интегрированное оптоэлектронное устройство служит для высокоскоростной передачи данных путем прямой или непрямой модуляции интенсивности испускаемого света. Прибор включает в себя по меньшей мере один многослойный интерференционный отражатель и по меньшей мере один резонатор. В одном варианте осуществления изобретения отражатель работает в качестве модулирующего элемента под управлением приложенного напряжения. Край стоп-зоны подвергается настройке электрооптическими методами благодаря квантово-ограниченному эффекту Штарка вблизи резонансной моды, что создает модуляцию коэффициента пропускания отражателя и, таким образом, производит непрямую модуляцию интенсивности света. В другом варианте осуществления изобретения профиль оптического поля в резонаторе является функцией смещения длины волны стоп-зоны, и устройство работает в качестве излучателя света с настраиваемой длиной волны. В другом варианте осуществления изобретения в отражателе создаются две или более периодичности в распределении коэффициента преломления, что позволяет подавлять паразитные оптические моды и способствует высокоскоростной прямой модуляции интенсивности света, испускаемого устройством. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 34 ил.

1. Полупроводниковое электронное устройство (900), содержащее:
a) по меньшей мере один резонатор (923);
b) по меньшей мере один первый отражатель (960);
c) по меньшей мере один второй отражатель (922); при этом первый отражатель (960) является многослойным интерференционным отражателем; при этом резонатор (923) представляет собой светогенерирующий элемент; при этом резонатор (923), в свою очередь, содержит
d) область усиления (926), которая генерирует свет при приложении к области усиления (926) прямого смещения (913); при этом резонатор (923) имеет по меньшей мере одну резонансную длину волны; при этом многослойный интерференционный отражатель (960), в свою очередь, содержит
e) по меньшей мере один модулятор (962), такой, что модулятор (962) обладает спектром оптического отражения, таким, что спектр оптического отражения содержит стоп-зону, такую, что стоп-зона имеет край стоп-зоны; при этом модулятор (962) может изменять спектр оптического отражения при приложении смещения (993) к модулятору (962), таким образом, что изменение спектра оптического отражения включает сдвиг края стоп-зоны относительно резонансной длины волны резонатора (923); таким образом, что сдвиг края стоп-зоны спектра оптического отражения модулятора (962) приводит к переключению модулятора (962) между прозрачным и непрозрачным состояниями таким образом, что оптическое пропускание модулятора перестраивается; при этом изменение спектра оптического отражения модулятора происходит за счет электрооптического эффекта;
f) по меньшей мере три электрических контакта, которые независимо подают смещение к модулятору (962) и к светогенерирующему элементу (923), при этом настройка происходит через варьирование оптического пропускания многослойного интерференционного отражателя.

2. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (900) по п.1, в котором электрооптический эффект реализуется в форме квантово-ограниченного эффекта Штарка путем приложения обратного смещения к модулятору (962).

3. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (900) по п.1, в котором электрооптический эффект реализуется как эффект выцветания экситона путем инжекции неравновесных носителей путем приложения прямого смещения к модулятору (962).

4. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (900) по п.1, в котором электрооптический эффект осуществляется через инжекцию электронно-дырочной плазмы путем приложения прямого смещения к модулятору (962).

5. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (900) по п.1, в котором модуляция оптического пропускания модулятора (962) приводит к модуляции выходной оптической мощности.

6. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (900) по п.1, в котором прямое смещение (913) приложено к области усиления (926) так, что усиление превышает общие потери, позволяя лазерную генерацию.

7. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство по п.6, в котором устройство выбирается из группы, состоящей из:
a) вертикально-излучающего лазера;
b) лазера с торцевым излучением;
c) лазера с торцевым излучением и распределенной обратной связью;
d) многосекционного лазера с торцевым излучением; и
e) лазера с наклонным резонатором.

8. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство по п.1, в котором по меньшей мере один элемент устройства образован материалами, выбранными из группы, состоящей из:
i) полупроводниковых материалов III-V групп; и
ii) сплавов, основанных на полупроводниковых материалах III-V групп; при этом полупроводниковые материалы III-V групп выбраны из группы бинарных соединений элемента А, выбранного из группы химических элементов Al, Ga и In, и элемента В, выбранного из группы химических элементов N, Р, As и Sb.

9. Полупроводниковое оптоэлектронное устройство (1900) по п.1, в котором многослойный интерференционный отражатель (1960) также содержит:
i) по меньшей мере одну перестраиваемую секцию (1962); и
ii) по меньшей мере одну неперестраиваемую секцию (1963) на стороне по меньшей мере одной перестраиваемой секции (1962), противоположной к резонансной полости (923); при этом настройка варьирует оптическое пропускание по меньшей мере одной перестраиваемой секции (1962) многослойного интерференционного отражателя (1960) так, что варьируются длины волны лазерного света.

10. Способ управления интенсивностью лазерного излучения, излучаемого полупроводниковым оптоэлектронным устройством, содержащим
A) по меньшей мере одну резонансную полость; и
B) по меньшей мере один многослойный интерференционный отражатель;
C) по меньшей мере один светогенерирующий элемент, который генерирует свет при приложении прямого смещения;
D) а также по меньшей мере три электрических контакта,
при этом многослойный интерференционный отражатель, в свою очередь, содержит по меньшей мере один модулятор, такой, что модулятор обладает спектром оптического отражения, таким, что спектр оптического отражения содержит стоп-зону, такую, что стоп-зона имеет край стоп-зоны; при этом модулятор может изменять спектр оптического отражения при приложении смещения к модулятору таким образом, что изменение спектра оптического отражения включает сдвиг края стоп-зоны относительно резонансной длины волны резонансной полости; таким образом, что сдвиг края стоп-зоны спектра оптического отражения модулятора приводит к переключению модулятора между прозрачным и непрозрачным состояниями таким образом, что оптическое пропускание модулятора перестраивается; при этом изменение спектра оптического отражения модулятора происходит за счет электрооптического эффекта; при этом способ управления включает в себя следующие шаги:
a) калибровка, при этом калибровка состоит из следующих шагов:
i) установка микроамперметра в ту же электрическую цепь, в которой смещение приложено к модулятору, при этом микроамперметр выполнен с возможностью измерения фототока, генерируемого в модуляторе при приложении обратного смещения;
ii) независимое приложение смещения к модулятору и к светогенерирующему элементу через электрические контакты;
iii) электрооптическая настройка длины волны края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя относительно резонансной длины волны резонатора;
iv) варьирование оптического пропускания устройства, так что выходная оптическая мощность варьируется;
v) измерение фототока в электрической цепи модулятора при обратном смещении и измерение выходной оптической мощности устройства;
vi) получение калибровочных кривых излучение-фототок; и
b) управление устройством, также состоящее из этапов:
i) независимое приложение смещения к модулятору и к светогенерирующему элементу через электрические контакты;
ii) электрооптическая настройка длины волны края стоп-зоны многослойного интерференционного отражателя относительно резонансной длины волны резонатора;
iii) варьирование оптического пропускания устройства, так что выходная оптическая мощность варьируется;
iv) измерение фототока в электрической цепи модулятора при обратном смещении; и
v) подстройка управляющего тока в цепи активного элемента для поддержания нужной выходной мощности устройства посредством калибровочных кривых излучение-фототок.

11. Полупроводниковый фотодетектор (2000) с резонансной полостью, содержащий:
a) по меньшей мере одну резонансную полость (2023);
b) по меньшей мере один первый отражатель (1960);
c) по меньшей мере один второй отражатель (922);
при этом первый отражатель (1960) является многослойным интерференционным отражателем; при этом резонансная полость (2023), в свою очередь, содержит
d) по меньшей мере один светопоглощающий элемент (2026), который поглощает свет и генерирует фототок при подаче на светопоглощающий элемент (2026) нулевого или обратного смещения (2013), в котором резонансная полость (2023) имеет по меньшей мере одну резонансную длину волны; в котором многослойный интерференционный отражатель (1960), в свою очередь содержит
e) по меньшей мере один модулятор (1962), такой, что модулятор (1962) обладает спектром оптического отражения, таким, что спектр оптического отражения содержит стоп-зону, такую, что стоп-зона имеет край стоп-зоны;
при этом модулятор (1962) может изменять спектр оптического отражения при приложении смещения (993) к модулятору (1962) таким образом, что изменение спектра оптического отражения включает сдвиг края стоп-зоны относительно резонансной длины волны резонатора (2023) таким образом, что сдвиг края стоп-зоны спектра оптического отражения модулятора (1962) приводит к переключению модулятора (1962) между прозрачным и непрозрачным состояниями таким образом, что оптическое пропускание модулятора перестраивается; при этом изменение спектра оптического отражения модулятора происходит за счет электрооптического эффекта;
f) по меньшей мере три электрических контакта, через которые смещение независимо подается на область модуляции модулятора (1962) и светопоглощающий элемент (2023); при этом настройка варьирует резонансную длину волны устройства.