Инжекционный лазер и лазерная диодная линейка

 

Изобретение относится к эффективным высокомощным полупроводниковым инжекционным лазерам и лазерным диодным линейкам. Предложенный лазер включает гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по крайней мере часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области. При этом по крайней мере часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм. Лазерная диодная линейка выполнена на основе лазерной гетероструктуры с волноводными слоями и включает чередующуюся последовательность, состоящую из активной секции и пассивной области, основания которых расположены в одном и том же ограничительном слое. В результате увеличивается выходная мощность излучения, сужается и улучшается пространственная диаграмма выходного излучения в плоскости р-n-перехода до одномодовой, улучшается спектр излучения до одночастотного. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 12 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к эффективным, высокомощным полупроводниковым инжекционным лазерам и лазерным диодным линейкам.

Предшествующий уровень техники

Для получения высокой мощности необходимо изготовить высокоэффективный излучатель с низкой плотностью порогового тока и высокой дифференциальной квантовой эффективностью. Кроме того, желательно, чтобы спектр излучения был как можно уже (в пределе - одночастотный), а пространственная диаграмма излучения - одномодовой или близкой к ней по форме. Выполнение всех этих требований в одном приборе является задачей чрезвычайной сложности.

В настоящее время для получения лазеров со стабильным уровнем мощности 1,0-3,0 Вт используют лазерные диоды с широкой мезаструктурой (ширина мезаполоски W равна 50-250 мкм) [1, 2], а для более высокой мощности - лазерные диодные линейки [3, 4].

Однако повышение мощности за счет расширения накачиваемых активных секций (например, мезаполосок) одновременно ухудшает как диаграмму излучения, так и его спектр. Это объясняется тем, что в широких мезаполосках (а тем более - в лазерных диодных линейках) по мере увеличения накачки и, следовательно, мощности создаются условия для функционирования мод более высоких порядков наряду с основной (нулевой) модой. Эти моды, распространяющиеся под углом к оси резонатора, по мере усиления трансформируются в нежелательные, так называемые “кольцевые”, которые шунтируют выход излучения с переднего зеркала. Таким образом, устанавливается предел достижимой мощности.

Известна конструкция полоскового лазера с широкой мезаполоской [1]. Для подавления кольцевых мод в упомянутой конструкции мезаполоска ограничена глубокими канавками - с перерезанием волноводного и активного(ых) слоев.

Наиболее близким является инжекционный лазер, включающий лазерную гетероструктуру с мезаполоской, расположенной в части одного ограничительного слоя с одной стороны активного слоя, с пассивными областями с двух боковых сторон от мезаполоски, с основаниями, расположенными вблизи первой границы упомянутого ограничительного слоя, ближайшей к активной области, на расстояниях, совпадающих с расстояниями от основания мезаполоски до той же границы, а также на боковых сторонах мезаполоски имеются периодические рельефные структуры (рельефы, далее “решетки”), характеризуемые периодом и амплитудой, равной высоте выступов решетки [2]. В известном лазере направления ребер и впадин решеток перпендикулярны продольному направлению резонатора.

Известная конструкция [2] может быть использована для подавления кольцевых мод в боковом направлении за счет внесения дополнительных потерь излучения на боковых поверхностях мезаполоски.

Однако изготовление известной периодической рельефной структуры на боковых поверхностях мезаполоски технологически очень трудно выполнимо.

Кроме того, при изготовлении известных структур инжекционных лазеров [2] на одной большой площади (>10-20 см²) пластине с гетероструктурой (по известной современной технологии [5]) возрастает вероятность получения различной остаточной толщины h ограничительного слоя вне мезаполоски (от основания пассивной области до первой границы ограничительного слоя) для различных инжекционных лазеров, получаемых из одной пластины. Это происходит из-за реальной разнотолщинности стравливаемых слоев гетероструктуры пластины. Поэтому эффективное боковое ограничение требует точного расчета толщины h на основе экспериментально определенных параметров гетероструктуры. Более того, в пределах пластин больших площадей эти условия реализовать вообще сложно.

Известны конструкции лазерных диодных линеек [3, 4], в которых активные секции (по крайней мере две активные секции) разъединены ненакачиваемыми пассивными областями (по крайней мере три пассивные области: одна между активными секциями и две - по краям) для подавления тех же кольцевых мод в боком (т.е. перпендикулярном продольному направлению резонатора) направлении за счет внесения больших потерь излучения.

Наиболее близкой является конструкция, изображенная в патенте [3] на Фиг. 6, в которой каждая активная секция выполнена в виде мезаполоски, расположенной в одном ограничительном слое с одной стороны активного слоя, а пассивная область также в основном размещена с той же стороны активного слоя в том же ограничительном слое (т.е. основания мезаполоски и пассивной области расположены в одном и том же ограничительном слое), дополнительно пассивная область содержит канавку, пересекающую упомянутый ограничительный слой и активный слой. Канавки пассивной области используются для более эффективного подавления кольцевых мод в боковом направлении за счет внесения еще больших потерь излучения в области канавок.

Однако перетравливание р-n-перехода при формировании глубоких канавок неизбежно ведет к росту утечки тока и тепловыделению за счет резкого возрастания скорости поверхностной рекомбинации на границах перерезанного активного слоя. В результате возможного (в реальных условиях) загрязнения поверхности канавок в защитном диэлектрическом покрытии образуются поры. В этих порах при дальнейших операциях металлизации и пайки могут возникать каналы утечки, шунтирующие р-n переход в активных секциях. В конечном счете это приводит к деградации лазера в результате локального расплавления припоя в горячих "точках".

Использование же для подавления мод высшего порядка эффекта бокового оптического ограничения за счет скачка показателя преломления на границах мезаполоски, используемого при создании одномодовых лазеров гребневидной конструкции [6], проблематично. Так, при изготовлении известных структур одиночных инжекционных лазеров [6] из одной большой площади (>10-20 см²) пластины с гетероструктурой (по известной современной технологии [5]) возрастает вероятность получения различной остаточной толщины h ограничительного слоя вне мезаполоски (от основания пассивной области до первой границы ограничительного слоя, ближайшей к активному слою) для различных инжекционных лазеров, получаемых из одной пластины. Это происходит из-за реальной разнотолщинности стравливаемых слоев гетероструктуры пластины. Поэтому эффективное боковое ограничение требует точного расчета толщины h на основе экспериментально определенных параметров гетероструктуры. Более того, в пределах пластин больших площадей и при формировании лазерных диодных линеек на них эти условия реализовать вообще сложно.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлено получение технического результата путем создания инжекционного лазера с увеличенной выходной мощностью излучения, с суженной и улучшенной пространственной диаграммой выходного излучения в плоскости р-n-перехода до одномодовой, с улучшенным спектром излучения до одночастотного и стабилизацией параметров ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизации величины бокового оптического ограничения, уменьшения механических напряжений в направлении, перпендикулярном продольному направлению резонатора, и повышения теплоотвода за счет увеличения поверхности основания пассивной области при упрощении технологического процесса, повышении его воспроизводимости.

В основу изобретения поставлено получение технического результата путем создания лазерной диодной линейки с увеличенной выходной мощностью излучения, с суженной и улучшенной пространственной диаграммой выходного излучения в плоскости p-n-перехода, с улучшенным спектром излучения и со стабилизацией параметров ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизации величины бокового оптического ограничения, уменьшения механических напряжений в направлении, перпендикулярном продольному направлению резонатора, и повышения теплоотвода за счет увеличения поверхности основания пассивной области при упрощении технологического процесса, повышении его воспроизводимости.

В соответствии с изобретением упомянутый технический результат достигается тем, что предложен инжекционный лазер (далее “Лазер”), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по крайней мере часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы (названной далее “первой”) ограничительного слоя, ближайшей к активной области, причем по крайней мере часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой первой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.

Мезаполоска - активная секция, возможно, ее часть, расположена в части одного ограничительного слоя, с одной стороны активного слоя, с пассивными областями с двух боковых сторон от мезаполоски, с основаниями мезаполоски и пассивных областей вблизи первой границы упомянутого ограничительного слоя, ближайшей к активной области, и с рельефными структурами (рельефами), характеризуемыми амплитудой, равной высоте выступов рельефов от впадины (вблизи активного слоя) до ребра (отдаленного от активного слоя), удалением от первой границы ограничительного слоя.

Отличием предложенного Лазера являются наличие на основаниях пассивных областей рельефов, их форма и расположение по отношению к мезаполоске, резонатору, к первой границе ограничительного слоя, в совокупности с формами активных секций и пассивных областей лазерной гетероструктуры.

В настоящем изобретении расстояние от первой границы ограничительного слоя до рельефной структуры (т.е. до уровня впадин рельефной структуры) определяют толщиной h_c. Здесь ввиду введения рельефов на основание пассивной области имеющаяся разнотолщинность гетерослоев пластин больших площадей и, соответственно, реализуемый разброс толщины h_c при стравливании гетерослоев в значительно меньшей степени влияют как на технологическую воспроизводимость, так и на воспроизводимость и стабильность параметров. Поэтому здесь не требуется столь высокая точность расчетов толщины h_c для обеспечения эффективного бокового ограничения, как толщины h в [2] или [6]. Поэтому можно упростить расчеты толщины h_c.

Необходимое удаление рельефных структур от первой границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области, оценивается в каждом конкретном случае на основе состава и толщины слоев гетероструктуры.

Совокупность признаков настоящего изобретения определила его преимущества и позволила получить

1) значительно более эффективное подавление нежелательных кольцевых мод за счет увеличения их поглощения в улучшенном волноводе в пределах упомянутого ограничительного слоя с ограничением в боковом направлении,

2) высокую селекцию модового состава излучения, сужение его спектра за счет более сильных потерь для мод высокого порядка в сравнении с основной (нулевой) модой,

3) упрощение технологии изготовления Лазера, улучшение воспроизводимости конструкций, параметров выходного излучения и других,

4) уменьшение вектора механических напряжений в структуре в боковом направлении,

5) повышение теплоотвода за счет увеличения поверхности основания пассивной области.

Все это приводит к увеличению выходной мощности излучения, сужению и улучшению пространственной диаграммы выходного излучения, уменьшению угла расходимости Θ_II в плоскости p-n-перехода.

Поставленный технический результат также достигается тем, что рельефные структуры могут иметь вид чередующихся прямых полосок; чередующихся волнистых полосок, причем их изогнутость возможна как в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, так и в параллельном; конфигурацию решеток и другие. Кроме того, рельефные структуры могут быть периодичными и также могут быть ориентированы преимущественно в направлении, параллельном направлению продольной оси резонатора или близком к нему.

При этом для широких инжекционных лазеров (при ширине мезаполоски, например, 100 мкм, 150 мкм) стало возможным получение одномодового и одночастотного излучения при достаточно высокой выходной мощности.

Предложенные конфигурации рельефных структур, их периодичность, направленность, их подбор позволяют, в том числе, увеличить эффективность поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизировать величину бокового оптического ограничения, уменьшить вектор механических напряжений.

Существом настоящего изобретения является новый и оригинальный выбор отличительных существенных признаков и их взаимосвязь, которые не являются очевидными.

Совокупность существенных признаков предложенного Лазера в соответствии с формулой изобретения нова и соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении Лазеров, и поэтому предложение удовлетворяет критерию “промышленная применимость”. Предложенные настоящим изобретением Лазеры применимы для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.

Хотя настоящее изобретение в полном объеме актуально для одиночных лазеров с шириной полоски более 50 мкм, оно полезно и для любых одноэлементных инжекционных лазеров, в том числе и для одномодовых (далее “SM”). Кроме того, оно также в полном объеме актуально для лазерных диодных линеек.

В соответствии с изобретением упомянутый технический результат достигается тем, что предложена лазерная диодная линейка (далее “Линейка”) на основе лазерной гетероструктуры с волноводными слоями, включающая чередующуюся последовательность, состоящую из активной секции и пассивной области, основания которых расположены в одном и том же ограничительном слое, причем по крайней мере часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к активной секции, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от границы ограничительного слоя, ближайшей к активному слою, на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.

Так же как в известных конструкциях лазерных диодных линеек [3, 4], в заявленной Линейке активные секции (по крайней мере две активные секции) разъединены ненакачиваемыми пассивными областями (по крайней мере три пассивные области: одна между активными секциями и две - по краям). Каждая мезаполоска - активная секция, возможно, ее часть, выполнена в части одного и того же ограничительного слоя с основаниями, расположенным вблизи первой границы упомянутого ограничительного слоя, находящейся вблизи активного слоя, и пассивные области с основаниями расположены в том же ограничительном слое.

Отличием предложенной Линейки являются конфигурации и параметры активных секций и пассивных областей и введение рельефных структур (рельефов) на поверхностях оснований пассивных областей и их вид и ориентация. Необходимое удаление оснований мезаполосок и рельефных структур от первой границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области, оценивается в каждом конкретном случае на основе состава и толщины слоев гетероструктуры.

Рельефы характеризуются амплитудой, равной высоте выступов рельефов от впадины (вблизи активного слоя) до ребра (отдаленного от активного слоя). В настоящем изобретении расстояние от первой границы ограничительного слоя до рельефной структуры (уровня впадин) определяют толщиной h_с. Здесь ввиду введения рельефов на основание пассивной области имеющаяся разнотолщинность гетерослоев пластин больших площадей и, соответственно, реализуемый разброс толщины h_с при стравливании гетерослоев в значительно меньшей степени влияют как на технологическую воспроизводимость, так и на воспроизводимость и стабильность параметров. Поэтому здесь не требуется столь высокая точность расчетов толщины h_с для обеспечения эффективного бокового ограничения как толщины h в [2] или [6]. Поэтому можно упростить расчеты толщины h_c.

Совокупность признаков настоящего изобретения определила его преимущества и позволила получить:

1) значительно более эффективное подавление нежелательных кольцевых мод за счет увеличения их поглощения в улучшенном волноводе в пределах упомянутого ограничительного слоя с ограничением в боковом направлении,

2) высокую селекцию медового состава излучения, сужение его спектра за счет более сильных потерь для мод высокого порядка в сравнении с основной (нулевой) модой,

3) упрощение технологии изготовления Лазера, улучшение воспроизводимости конструкций, параметров выходного излучения и других,

4) уменьшение вектора механических напряжений в структуре в боковом направлении,

5) повышение теплоотвода за счет увеличения поверхности основания пассивной области.

Все это приводит к увеличению выходной мощности излучения, сужению и улучшению пространственной диаграммы выходного излучения, уменьшению угла расходимости Θ_II в плоскости p-n-перехода.

Поставленный технический результат также достигается тем, что рельефные структуры могут иметь вид чередующихся прямых полосок; чередующихся волнистых полосок, причем их изогнутость возможна как в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, так и в параллельном; конфигурацию решеток; спиралей и другие. Кроме того, рельефные структуры могут быть периодичными и также могут быть ориентированы преимущественно в направлении, параллельном продольной оси резонатора или близком к нему.

Предложенные конфигурации рельефных структур, их периодичность, направленность, их подбор позволяют, в том числе, увеличить эффективность поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизировать величину бокового оптического ограничения, уменьшить вектор механических напряжений.

Существом настоящего изобретения является новый и оригинальный выбор отличительных существенных признаков и их взаимосвязь, которые не являются очевидными.

Совокупность существенных признаков предложенной лазерной диодной линейки в соответствии с формулой изобретения нова и соответствует критерию “изобретательский уровень”.

В предложенной Линейке происходит значительно более эффективное подавление нежелательных кольцевых мод за счет их эффективного поглощения и формирование волновода в пределах упомянутого ограничительного слоя с ограничением в боковом направлении для каждой активной секции, что позволило получить увеличенную выходную мощность излучения, низкую плотность порогового тока и высокую дифференциальную квантовую эффективность, со стабилизацией параметров Линейки при повышении технологической воспроизводимости.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазерных диодных линеек, и поэтому предложение удовлетворяет критерию “промышленная применимость”. Предложенные настоящим изобретением Линейки применимы для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на Фиг. 1-12.

На Фиг. 1 схематично изображено продольное сечение Лазера.

На Фиг. 2 изображены сравнительные ватт-амперные характеристики активных элементов с длиной резонатора L, равной 400 мкм, 1 - первой модификации Лазера, 2 - без решеток на основаниях пассивных областей.

На Фиг. 3 изображены сравнительные ватт-амперные характеристики активных элементов с длиной резонатора L, равной 800 мкм, 1 - второй модификации Лазера, 2 - без решеток на основаниях пассивных областей.

На Фиг. 4 изображена диаграмма угловой расходимости в плоскости р-n-перехода Лазера третьей модификации.

На Фиг.5 изображена диаграмма угловой расходимости в плоскости р-n-перехода активного элемента без решеток на основаниях пассивных областей.

На Фиг. 6 изображен спектр излучения Лазера третьей модификации.

На Фиг. 7 изображен спектр излучения активного элемента без решеток на основаниях пассивных областей.

На Фиг. 8 схематично изображено продольное сечение Линейки.

На Фиг. 9 изображена диаграмма угловой расходимости в плоскости р-n-перехода Линейки.

На Фиг. 10 изображена диаграмма угловой расходимости в плоскости р-n-перехода трехсекционной Линейки без решеток на основаниях пассивных областей.

На Фиг. 11 изображен спектр излучения Линейки.

На Фиг. 12 изображен спектр излучения трехсекционной Линейки без решеток на основаниях пассивных областей.

Варианты осуществления изобретения

Предложенный инжекционный лазер (далее “Лазер”) и предложенная лазерная диодная линейка (далее “Линейка”) могут быть реализованы на различных гетероструктурах, в том числе, с квантово-размерной активной областью. Рассмотренные далее примеры исполнения не являются единственно возможными.

Примеры для Лазера.

Рассмотрены различные модификации Лазера 1 (см. Фиг. 1), выполненные на основе двойной гетероструктуры с раздельным оптическим ограничением (РОДГС) и одной квантовой ямой (“Single Quantum Well”, далее “SQW”) (не показаны), изготовленной МОС-гидридным методом.

В качестве подложек (не показаны) использованы пластины арсенида галлия с концентрацией носителей N_n, равной 2·10¹⁸ см^-3. В SQW эпитаксиальной структуре состава

контактный слой 2 р+ - GaAs d=0,35 мкм

р-ограничительный слой 3 Р - AlGaAs d=1,5 мкм

первый волноводный слой 4 AlGaAs d=0,12 мкм

активная область 5 AlGaAs d=120 A

второй волноводный слой 6 AlGaAs d=0,12 мкм

n-ограничительный слой 7 N - AlGaAs d=2,6 мкм

буферный слой n+ - GaAs (не показан) d=0,5 мкм

подложка Ga As : Si 2·10¹⁸ d=350 мкм

были сформированы ионно-химическим травлением мезаполоски 8 шириной W, и на всем образовавшемся основании пассивной области выполнены решетки 9 с периодом Т и амплитудой А (все параметры Лазера 1 для различных модификаций, т.е. для примеров 1-4 и 6, записаны в Табл.1) в р-ограничительном слое 3 вне мезаполоски 8 на удалении от первой границы р-ограничительного слоя 3 (от первого волноводного слоя 4) на расстояние h_c. Ребра и впадины решетки 9 были сориентированы различным образом в разных модификациях по отношению к продольному направлению резонатора (вдоль мезаполоски 8), а именно направление ребер и впадин решетки 9 отклонено на угол α (может быть практически не отклонено и существовать только технологическая погрешность выполнения) от направления, параллельного продольной оси резонатора. Поверхность вне вершины мезаполоски 8 была изолирована пленкой 10 ZnSe. А на вершине мезаполоски 8 был сформирован омический р-контакт состава ZnNiMoNiAu (не показан). После утонения пластины до толщины приблизительно 100 мкм на подложке сформирован омический контакт NiAuGe - Au. Для экспериментов пластину скалывали на активные элементы общей ширины Vi, которые были напаяны на медном теплоотводе с помощью In-припоя. Далее на примерах 1, 2 и 7 приведены типичные результаты для Лазера 1, аналогичные результаты получены нами также на других модификациях, в том числе приведенных в Табл.1 в качестве примеров 3 и 4.

Часть активных элементов Лазера 1 (см. примеры 1, 3, 4 в Табл.1) выполнена с длиной резонатора L₁, равной 400 мкм, которая весьма критична для возникновения кольцевых мод ввиду соотношения W₁/L₁, равного 150 мкм / 400 мкм, (без оптических покрытий).

Другая часть активных элементов Лазера 1 (см. примеры 2 в Табл.1) выполнена с длиной резонатора L₂, равной 800 мкм, и оптическими покрытиями R_A=3% и R_H=97%.

Для всех упомянутых примеров 1-4 получены типичные ватт-амперные характеристики Лазера 1. На Фиг.2 и 3 изображены такие ватт-амперные характеристики Лазера 1 для модификаций 1 и 2 соответственно.

Для сравнения на тех же соответствующих Фиг.2 и 3 изображены ватт-амперные характеристики для инжекционных лазеров аналогичных конструкций из той же самой гетероструктуры, но без решеток и без канавок на плоских основаниях пассивных областей. Параметры сравнительных инжекционных лазеров также см. в Табл.1 на примерах 5 и 6. Основания пассивных областей отстоят от первого волноводного слоя на расстояние h.

Полученные экспериментальные результаты подтвердили ожидаемые улучшение параметров предложенного Лазера 1 - достигнута большая лазерная мощность. Представленные на графиках Фиг.2 и Фиг. 3 результаты указывают на явное преимущество конструкции Лазера 1 перед аналогичной конструкцией, но без решетки на основании пассивной области. Достигнутый результат для Лазера 1 (см. Фиг. 3) выходной мощности Р при CW, равный 3,0 Вт, не является предельным, а ограничен в нашем эксперименте мощностью блока питания.

Выявлены и другие достоинства предложенных Лазеров 1. Так, вместо ожидаемого для ширины резонатора W₁, равной 150 мкм, значения порогового тока I_пop, равного 400...450 мА, получен для Лазера I_пор, равный 300 мА. Этот результат позволяет предположить, что в обычных известных конструкциях (инжекционный лазер, выбранный для сравнения, или, например, [6]) утечка излучения из зоны генерации через угловые моды высоких порядков уже существенна вблизи порога и нарастает по мере накачки Лазера 1, устанавливая в конечном счете предел выходной мощности.

Третья часть активных элементов Лазера 1 выполнена с иной длиной резонатора L и иной шириной W мезаполосок 8, без оптических покрытий (см. пример 7 в Табл.1).

Для сравнения были выполнены аналогичные конструкции инжекционных лазеров из той же самой гетероструктуры, но без решеток и без канавок на плоских основаниях пассивных областей. Параметры инжекционных лазеров также приведены в Табл.1, пример 8.

Сравнительные диаграммы угловой расходимости в плоскости р-n перехода и спектры излучения для Лазера 1 (пример 7 в Табл.1, см. Фиг. 5 и Фиг. 7 соответственно) и инжекционного лазера (пример 8 в Табл.1, см. Фиг. 4 и Фиг. 6 соответственно) наглядно демонстрируют влияние сформированных решеток 9 на параметры Лазера 1. Диаграмма излучения Лазера 1 сужается (по сравнению с инжекционным лазером без решетки) с 4° (см. Фиг. 4) до 1,38° (см. Фиг. 5) (по уровню 0,5) и, что важно - приобретает однолепестковую форму (см. Фиг. 5). Такая диаграмма облегчает ввод излучения в оптическое волокно или линзовые оптические системы и повышает эффективность ввода. Одновременно спектр излучения из обычного многочастотного с полушириной спектра приблизительно 11 А (см. Фиг. 6) для инжекционного лазера без решеток превращается в одночастотный (см. Фиг. 7) для Лазера 1 (при наличии решеток - оснований пассивных областей). Такой спектр демонстрируют обычно только одномодовые лазеры высокого качества.

Примеры для Линейки.

Аналогичные эксперименты путем сравнения параметров конструкции без наличия решеток на основаниях пассивных областей и конструкции в соответствии с настоящим изобретением были проведены и для лазерных диодных линеек, а именно для фрагмента линейки с тремя активными секциями (далее “Линейка” 11 - в соответствии с настоящим изобретением (см. Фиг. 8) и “линейка” - сравнительная лазерная диодная линейка без наличия решеток на основаниях пассивных областей). Все параметры Линейки 11 для различных модификаций - примеров 1-4 и линейки - пример 5 записаны в Табл.2. Линейки 11 и линейки были сформированы ионно-химическим травлением мезаполосок 8 шириной W₁ и решетки 9 периодом T₁ и амплитудой A₁ в р-ограничительном слое 3 вне мезаполоски 8 на удалении от первой границы р-ограничительного слоя 3 (от первого волноводного слоя 4) на расстояние h_c1. Ребра и впадины решетки 9 были сориентированы преимущественно в направлении продольной оси резонатора (вдоль мезаполоски 8), а именно направление ребер и впадин решетки 9 отклонено на угол α₁ (может быть практически не отклонено и существовать только технологическая погрешность выполнения) от направления, параллельного продольной оси резонатора. Более того, пластины с одиночными Лазерами 1, инжекционные лазеры без решеток, Линейками 11 и линейками изготовлялись на одних и тех же гетероструктурах и в одних и тех же технологических процессах.

На Фиг.9-12 приведены результаты, полученные на примерах 1 и 2, являющихся типичными. Полученные результаты полностью подтвердили тенденции к улучшению диаграммы угловой расходимости (см. Фиг. 9 и Фиг. 10) и спектра излучения (см. Фиг. 11 и Фиг. 12), хотя использованные в экспериментах размеры пассивных областей не были оптимальными.

На диаграмме угловой расходимости за счет воздействия рельефной поверхности на основании пассивной области наблюдается сужение угловой расходимости Θ_II от 7° (см. Фиг. 9) до 4,5° (см. Фиг. 10), а “провал” в центре диаграммы на Фиг. 9 существенно нивелировался на Фиг. 10. Влияние рельефной поверхности на основании пассивной области на спектр излучения с длиной волны λ оказался еще более разительным: от величины полуширины спектра Δλ^0,5, равной 13,5 А на Фиг. 11, он сузился практически до одночастотного, с величиной полуширины спектра Δλ^0,5, менее 1 А на Фиг. 12, что ограничивается разрешением использованного спектрометра.

С точки зрения авторов и заявителей полученные результаты показали, что сформированные предложенные Линейки 11 оказались очень эффективными не только для подавлении кольцевых мод, но, к нашему удивлению, для фильтрации мод более высокого порядка по отношению к основной (нулевой) моде.

Таким образом, предложенные Лазер и Линейка имеют:

1) повышенную выходную мощность излучения,

2) суженную и улучшенную диаграмму излучения в плоскости р-n-перехода,

3) улучшенный спектр излучения вплоть до одночастотного,

и их конструктивные параметры не являются единственно возможными для достижения поставленного технического результата. Нами были проведены эксперименты с Лазерами и Линейками с другими конструктивными параметрами, в том числе и на других гетероструктурах, также на других материалах гетероструктур. Получено подтверждение тенденции, иллюстрируемой приведенными примерами.

Промышленная применимость

Инжекционные лазеры и лазерные диодные линейки применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, открытой оптической связи, системах оптической памяти, спектроскопии, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, измерительных устройств, а также для накачки твердотельных и волоконных усилителей и лазеров.

Источники, использованные при составлении заявки

1. Патент США 4779282 (HUGHES AIRCRAFT CO.), 24.03.1987, 372/16, Н 01 S 3/19.

2. Патент США 5084892 (EASTMAN KODAK COMPANY), 28.01.1992, 372/45, Н 01 S 3/19.

3. Патент США 5157680 (MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA), 20.10.1992, 372/50, H 01 S 3/19.

4. "High Power Diode Laser Bare for 808 nm with Low Mesa Structure", Материалы конференции..., p.44.

5. Патент РФ 1831213 (НИИ “ПОЛЮС”), 18.08.88, Н 01 S 3/19.

6. Патент РФ 2035103 (ФГУП НИИ “ПОЛЮС”), 26.01.93, Н 01 S 3/19.

Формула изобретения

1. Инжекционный лазер, включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по крайней мере, часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.

2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что рельефные структуры имеют вид чередующихся прямых полосок.

3. Инжекционный лазер по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что рельефные структуры имеют вид чередующихся волнистых полосок.

4. Инжекционный лазер по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что рельефные структуры имеют конфигурацию решеток.

5. Инжекционный лазер по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что рельефные структуры периодичны.

6. Инжекционный лазер по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что рельефные структуры ориентированы преимущественно в направлении, близком к направлению, параллельному продольной оси резонатора.

7. Лазерная диодная линейка на основе лазерной гетероструктуры с волноводными слоями, включающая чередующуюся последовательность, состоящую из активной секции и пассивной области, основания которых расположены в одном и том же ограничительном слое, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к активной секции, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области, на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.

8. Лазерная диодная линейка по п.7, отличающаяся тем, что рельефные структуры имеют вид чередующихся прямых полосок.

9. Лазерная диодная линейка по любому из пп.7 и 8, отличающаяся тем, что рельефные структуры имеют вид чередующихся волнистых полосок.

10. Лазерная диодная линейка по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что рельефные структуры имеют конфигурацию решеток.

11. Лазерная диодная линейка по любому из пп.7-10, отличающаяся тем, что рельефные структуры периодичны.

12. Лазерная диодная линейка по любому из пп.7-11, отличающаяся тем, что рельефные структуры ориентированы преимущественно в направлении, близком к направлению, параллельному продольной оси резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14