Полупроводниковый оптический квантовый генератор Советский патент 1977 года по МПК H01S5/32 

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Изобретение относится к области квантовой электроники. Известны полупроводниковые оптические квантовые генераторы (ОКГ), содержащие оптический резонатор и активную область с инверсной населенностью носителей, выполненные, например, на основе структур с р-п-переходом со сплошными омически ми контактами к р-п-областям и с оптическим резонатором Фабри-Пер о. Однако известные полупроводниковые OK имеют малую мощность генерируемого излу чения, большой угол расходимости излучени эти приборы быстро деградируют. Это обус ловлено применением резонаторов Фабри-П ро, выполненных в виде параллельно сколотых граней, перпендикулярных к плоскости р-п-лереходов, причем излучение выводится параллельно плоскости перехода, на гранях которых вследствие малой ширины светящейся области выделяются значительные плотности энергии, Цель изобретения - увеличение мощности улучшение направленности излучения и осуществление вывода излучения через контактную поверхность. Цель достигается тем, что в предлагаемом полупроводниковом ОКГ оптический резонатор выполнен в виде дифракционной решетки на одной иа контактных поверхностей, параллельной плоскости электронно-дырочного перехода. Период этой решетки устанавливают равным Хр/Я- coscp де Хо и А - длины волн излучения соответстенно в вакууме и в материале активной области, ф- угол выхода когерентного излучения, N -любое целое число в интервале значений afi|4-) / в частном случае, когда период дифракционной решетки равен целому числу длин волн в материале активной области, изпуче ние выходит перпендикулярно к плоскости электронно-дьфочного перехода-. Дифракционная решетка на одной из контактных поверхностей может быть выполнена, например, в виде периодически чередующихся попос контактного материала и промежутков, свободных от контактного материала. На чертеже схематически изображена конструкция предлагаемого ОКГ. Полупроводниковый ОКГ содержит подлож ку 1 из арсенида галлия, три слоя 2, 3, 4 твердых растворов в системе арсенид алюминия - арсенид галлия. Ширина запрещенной зоны активного слоя 3 меньше шири ны запрещенной зоны пассивных слоев 2 и 4, Подложка 1 и слой 2 структуры имеют проводимость п-типа, а слои 3 и 4 - проводимость . В предлагаемом- ОКГ контакт к сдою 4 вьшолнен не сплошным, а в виде тонких поло разделенных промежутками, свободными от контактного материала, т.е. на контактной поверхности создана дифракционная решетка с периодом, d. При приложении достаточна большого внеш него электрического поля в прямом направ- лении ( плюсом к р-области) в активном слое 3 за счет двусторонней инжекции создается инверсная заселенность носителей тока, которая при наличии оптического резонатора позволяет получить когерентное световое излучение. Наличие периодически расположенны контактных полос на поверхности структуры приводит к модуляции волнового сопротивлени диэлектрического волновода. Глубина этой мо дуляции равна, отношению квадрата напряженности электрического поля электромагнитной волны на контактной поверхности к его зна чению в центре волновода;. Это отношение экспоненциально убывает с увеличением расстояния i, от активного слоя ОКГ до кон тактной поверхности. В таком плоском светопроводе с периодически промодулированным волновым сопротивлением имеет место утечка распространяющейся вдоль него электромагнитной волны через контактную поверхность. При этом, величина 1/ Q обратная добротности может быть выражена формулой (Л, где д - разница диэлектрических прони- цаемостей волновода и пассивных областей L - расстояние от р ия-перехода до дифракционной решетки; 2 - толщина активного сдоя. При оптимально выбранных значениях , 8 , 10 Q 1О величина L должна быть установлена в интервале значений Я /2. L 3 АО Излучение через дифракционную решетку ыходит под углами ф которые опредеяются соотношением COS4,-X /Л (Выбором величины периода дифракционной решетки можно добиться того, чтобы через контактную поверхность полупроводникового ОКГ выходили один или несколько лучей под разными углами. В частности, когда отношение периода дифракционной решетки к длине волны в материале волновода меньше, чем Лд/Л, то угол ф 90 , т.е. излучение выходит в направлении, перпендикулярном к плоскости волновода. В этом случае волна, распространяющаяся вдоль волновода с периодически изменяющимся волновым сопротивлением, испытывает Брэгговское отражение и дифракционная решетка является планарным. оптическим резонатором, который распределен вдоль всей плоскости р-п-перехода и обеспечивает когерентное излучение всей контактной поверхностью. В таком ОКГ отсутствуют ограничения по площади р- п-лерехода, что позволяет существенно увеличить мощность генерируемого излучения, а поскольку вся контактная поверхность является излучаю- щей, значительно увеличивается апертура и улучш:ается направленность излучения ОКГ. Предлагаемая конструкция открывает перспективы для использования ОКГ в матричнрм исполнении в интегральных схемах, так как создание планарного резонатора исключает необходимость изготовления резонатора типа Фабри-Перо. этом предлагаемый полупроводниковый ОКГ может быть вьшолнен как на основе структуры с электроннодырочным переходом, так и на основе структуры с инверсной заселенностью нсхзителей тока, полученной любым способом, например с помощью электронного пучка или огггичес- кой накачкой. Формула изобретения 1. Полупроводниковый оптический квантовый генератор, содержащий оптический резонатор и активную область с инверсной населенностью носителей тока, выполненный, например, на основе структуры с р-я-перехо- дом с омическими контактами к поверхностям, параллельным плоскости р-я-41ерехода, отличающийся тем, что, с целью увеличения получаемой мощности, умещ шения расходимости излучения, на одной иг контактных поверхностей нанесена дифрак-

d ,

,. (А L О5

к расстоянием L от р-д-перехода до дифракционной решетки, установленным в ингдеЯ,

тервале значений Лд/2 L 5Лр

и Я -длины волн излучения соответственно в вакууме и материале активной области, р угол между направлением, когерентного излучения и плоскостью р-п-перехода, N - целое число в интервале значений

(З(Яо-Я) + l) г

2. Оптический квантовый генератор поп.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения площади излучаемой поверхности и осуществления вывода излучения перпендикулярно к плоскости p-WI-neрехода, период дифракционной решетки установлен равным целому числу длин волн излучения в материале активной области.