Импульсный инжекционный лазер

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к полупроводниковым лазерам. Лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активную область образует объемный слой полупроводникового материала, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода, толщина объемной активной области d_ar удовлетворяет неравенству где - постоянная планка, m_h,e - масса дырки или электрона, λ - длина волны генерации в вакууме, Е - кинетическая энергия носителей заряда, при расчете между m_h и m_е выбирается наименьшая. Технический результат - увеличение максимальной пиковой мощности лазерного излучения при одновременном снижении ширины спектра лазерного диода в импульсном режиме генерации. 1 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к полупроводниковым лазерам. Мощные импульсные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например используются в качестве источника оптического излучения для накачки нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует высоких выходных пиковых мощностей излучения.

Создание полупроводникового лазера, позволяющего достичь высоких пиковых выходных мощностей излучения, является актуальной задачей.

Основными достоинствами полупроводникового лазера как источника когерентного излучения являются высокая выходная оптическая мощность, высокая надежность, широкий диапазон длин волн излучения при сохранении компактных размеров. Высокие значения непрерывной мощности излучения продемонстрированы полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) на базе гетероструктур с квантово-размерной активной областью с расширенным волноводом [1] и асимметричных гетероструктур с квантово-размерной активной областью со сверхтолстым волноводом [2, 3], [4]. Использование асимметричной гетероструктуры с квантово-размерной активной областью со сверхтолстым волноводом дало возможность снизить внутренние оптические потери, что позволило изготовить лазерные диоды с длиной резонатора 2-4 мм без существенного падения внешней дифференциальной эффективности. Увеличение длины резонатора привело к падению теплового сопротивления и повышению эффективности отвода тепла от квантово-размерной активной области лазерного диода. Это важно, так как основная причина ограничения максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации - перегрев активной области. За счет снижения теплового сопротивления лазерного диода была достигнута максимальная непрерывная мощность генерации [2, 3, 4]. Дальнейший рост выходной оптической мощности был ограничен перегревом квантово-размерной активной области. Однако в таких областях, как накачка нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, по-прежнему актуальным остается достижение максимальной пиковой мощности.

Известным способом снижения перегрева активной области и дальнейшего повышения выходной оптической мощности является переход к импульсному режиму генерации.

Структура, представленная в [1], включает два ограничительных слоя N- и Р-типа электропроводности, выполненных на основе твердого раствора In_0.51Ga_0.49P. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=1.3 мкм, выполненный на основе твердого раствора InGaAsP. В центре волноводного слоя располагается активная область. Активная область состоит из двух InGaAs квантовых ям толщиной 70 Å каждая. В лазерных диодах, изготовленных на базе такой гетероструктуры, была достигнута пиковая мощность излучения в импульсном режиме (длительность импульса тока накачки 500 нс, частота 200 Гц) 20 Вт [1].

Структура, представленная в [4], включает два ограничительных слоя N- и Р-типа электропроводности, выполненных на основе твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=1.7 мкм, выполненный на основе твердого раствора InGaAsP. В волноводном слое на расстоянии 0.65 мкм от ограничительного слоя Р-типа электропроводности располагается активная область. Активная область состоит из одной InGaAs квантовой ямы толщиной 100 Å. В лазерных диодах, изготовленных на базе такой гетероструктуры, была достигнута пиковая мощность излучения в непрерывом режиме 12 Вт [4] и импульсном режиме (длительность импульса тока накачки 100 нс, частота 10 кГц) 100 Вт.

Конструкция лазера, взятая за прототип [2, 3], позволяет достичь наибольших из известных (например [1, 4]) значений импульсной мощности излучения 145 Вт (длительность импульса тока накачки 100 нс, частота 10 кГц), ширина спектра излучения достигает 22.5 нм.

В качестве базовой конструкции прототипа взята двойная гетероструктура раздельного ограничения (ДГСРО). ДГСРО включает в себя следующие составные части:

- волноводный слой, характеризующийся толщиной (D_О), шириной запрещенной зоны (E_gв) и показателем преломления (n_в); E_gв и n_в напрямую связаны со свойствами материала волноводного слоя;

- слои оптических ограничителей (эмиттеров); волноводный слой помещается между слоями оптических ограничителей; основная функция слоев оптических ограничителей - удерживать лазерное излучение в волноводном слое. Из этого следуют основные требования к свойствам материала этих слоев: они должны иметь показатели преломления (n_оо) меньше, а ширины запрещенных зон больше, чем у волноводного слоя;

- активную область, расположенную в волноводном слое, которая может включать в свой состав по меньшей мере один квантово-размерный активный слой. Активная область выполняет функцию усиливающей среды. Для этого требуется выполнение необходимого условия - в активной области должна быть создана инверсная населенность, поэтому материал активной области должен обладать меньшей шириной запрещенной зоны, чем волновод.

Основные принципы выбора параметров конструкции лазерной гетероструктуры прототипа представлены в [2, 5] и определялись задачей достижения максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации, поэтому параметры выбирались с целью достижения минимальных внутренних оптических потерь и термического выброса носителей из квантово-размерной активной области [2, 5].

Интенсивность термического выброса зависит от величины барьеров на границах волновод - эмиттер и волновод - квантовая яма. Высота барьеров, образованных разрывами зон проводимости и валентными зонами эмиттеров и волноводов, характеризует интенсивность тока утечки носителей из волновода в эмиттер, они не могут быть ниже некоторой критической величины, характеризуемой энергией активации данного процесса. В свою очередь, глубина квантовой ямы при заданной ширине запрещенной зоны волновода определяет температурную чувствительность порогового тока. В общем случае нижний предел величины разрывов зон для всех границ - это 2kT, но чем больше эта величина, тем меньшее влияние оказывает повышение температуры на излучательные характеристики лазерного диода. Из вышесказанного следует, что отправной точкой в выборе параметров слоев гетероструктуры является длина волны генерируемого излучения, исходя из которой определяются составы слоев. В качестве примера здесь эта величина выбирается равной 1060 нм. Из вышесказанного следует, что выбор составов твердых растворов эмиттерных и волноводных слоев должен быть основан, в первую очередь, на требовании минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям. На базе проведенных ранее исследований излучательных характеристик лазерных диодов [6] и из технологических соображений качества получающихся слоев в [2] были выбраны следующие составы: Al_0.3Ga_0.7As (E_g=1.8 эВ) и GaAs (E_g=1.43 эВ) для эмиттерных и волноводных слоев соответственно. Задача достижения максимальной мощности излучения лазерного диода в непрерывном режиме генерации требует, чтобы гетероструктура, на базе которой выполнен данный лазерный диод, обладала минимальными внутренними оптическими потерями. Чем меньше величина внутренних оптических потерь, тем большей мощности излучения в непрерывном режиме можно достичь. Известно [7], что внутренние оптические потери для моды m - можно представить в виде

где - оптические потери в активной области, - оптические потери в эмиттерах, - потери в волноводных слоях, при этом основной вклад в величину вносят и . Величина определяется толщиной активной области, а именно долей поля моды, приходящейся на слой активной области. Это значит, что снижение толщины активной области благоприятно влияет на снижение . С этой точки зрения сверхтонкие квантово-размерные активные области являются оптимальными [2]. На величину можно повлиять, изменяя параметры лазерной гетероструктуры (толщину волновода и разницу между показателями преломления волновода и эмиттеров). Величина зависит от фактора оптического ограничения эмиттерных слоев - доли поля моды m, приходящейся на эмиттерные слои. Фактор оптического ограничения эмиттерных слоев можно уменьшить несколькими способами:

- увеличивая толщину волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттера;

- увеличивая разность между показателями преломления волновода и эмиттера при сохранении толщины волновода;

- увеличивая одновременно толщину волновода и разность между показателями преломления волновода и эмиттера.

При условии что составы эмиттерных и волноводного слоя были зафиксированы выше, исходя из требований минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям и технологической целесообразности, единственный способ снижения внутренних оптических потерь заключается в увеличении толщины волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттеров. Следствием увеличения толщины волновода является то, что выполняются условия отсечки не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка, т.е. волновод становится многомодовым [8, с.35-43, 48-53]. В работе [1] использовалась гетероструктура с многомодовым волноводом (волновое уравнение имело три решения), в котором были выполнены условия отсечки для трех мод. Было показано, что симметричное положение активной области в многомодовом волноводе ведет к тому, что выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это привело к увеличению расходимость излучения на уровне 1/е² интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу с 62.5° до 75°. Выполнение пороговых условий для мод высших порядков ведет к деградации излучательных характеристик. В первую очередь, это отражается на расширении диаграммы направленности излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, и снижении максимальной мощности излучения в связи с тем, что возрастают внутренние оптические потери, т.к. моды высших порядков больше проникают в сильнолегированные эмиттеры. Поэтому необходимо найти способ подавления мод высших порядков в многомодовых волноводах. Известно, что пороговое условие для m-й моды электромагнитного поля в волноводе имеет вид

где g - материальное усиление, , - внутренние и внешние оптические потери для m-й моды соответственно, - фактор оптического ограничения для активной области для m-й моды. Вполне очевидно, чтобы пороговое условие (2) выполнялось для нулевой моды и не выполнялось для мод высших порядков, необходимо выполнение следующего неравенства

где m= 0,1,2,3…

Чтобы найти положения активной области, в которых неравенство (3) выполняется для структуры с выбранными значениями: n_оо - показатель преломления слоев оптического ограничения, n_в - показатель преломления волноводного слоя, D_O - толщина волноводного слоя, решалось волновое уравнение [8, с.35-43, 48-53]. Из волнового уравнения находилось распределение поля в данной структуре. В данном случае волновое уравнение имеет три решения - это значит, что существует три возможных конфигурации поля в данной структуре. Определив конфигурацию поля на основании определения значения Г-фактора оптического ограничения [8, с.69], можно рассчитать значение фактора оптического ограничения для активной области при любом ее положении в рассматриваемой гетероструктуре для рассчитанного распределения поля (моды). На основании таких расчетов можно построить зависимость значения фактора оптического ограничения для активной области от ее положения в многомодовом волноводе для каждой из существующих в таком волноводе мод. Построив такие зависимости, нетрудно найти положения, в которых неравенство (3) выполняется.

Построение таких зависимостей показывает, что даже при положении активной области в центре волновода неравенство (3) выполняется [2, 5]. Но, как показано в [1], при расположении активной области в центре многомодового волновода выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это приводит к увеличению расходимости излучения. Поэтому недостаточно любого превышения над для подавления мод высшего порядка по сравнению с нулевой модой. В прототипе был найден коэффициент q, определяющий необходимое минимальное превышение над , при котором моды высших порядков окажутся подавленными, и пороговое условие будет выполнено только для нулевой моды.

Минимальное значение этого коэффициента (определенное авторами в [2]) q=1.7. В этом случае неравенство (3) перепишется как

Авторами [2] показано, что условию (4) в наибольшей степени удовлетворяют определенные положения активной области, смещенные относительно центра волновода. Такие положения можно считать необходимыми с точки зрения селекции мод высших порядков. Таким образом, смещение активной области относительно центра многомодового волновода в положение, где выполняется неравенство (4), является необходимым условием выполнения порогового соотношения только для нулевой моды. Толщина многомодового волновода выбирается из условия выполнения неравенства (4) хотя бы для одного положения активной области в волноводе. При увеличении толщины волновода наступает момент, когда неравенство (4) перестает выполняться, что свидетельствует о снижении селективной способности структуры. В прототипе толщина многомодового волновода была ограничена величиной D_O=1.7 мкм, при которой неравенство (4) при необходимом положении активной области в многомодовом волноводе выполняется. Структура прототипа, представленная в [2], включает два ограничительных слоя из Al_0.3Ga_0.7As (E_g=1.8 эВ), характеризуемых одинаковыми показателями преломления и выполняющих одновременно роль широкозонных сильнолегированных эмиттеров Р- и N-типа электропроводности. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной 1.7 мкм. В волноводном слое из GaAs (E_g=1.43 эВ) на расстоянии 0.65 мкм от эмиттера Р-типа электропроводности (асимметрично относительно плоскости симметрии волновода) располагается активная область. Активная область состоит из одной InGaAs (Eg=1.17 эВ) квантовой ямы толщиной 100 Å. Для лазерного диода, изготовленного из такой структуры, удалось достичь значений выходной мощности излучения 16 Вт в непрерывном режиме. Экспериментальные результаты, достигнутые в импульсном режиме генерации, представленные в [9], показывают, что максимальное значение пиковой выходной оптической мощности достигало 145 Вт и было ограничено насыщением ватт-амперной характеристики, которое не связано с разогревом активной области.

Актам стимулированной излучательной рекомбинации инжектированных в активную область носителей заряда предшествуют следующие процессы. Инжектируемые из сильнолегированных эмиттеров Р- и N-типа электропроводности дырки и электроны соответственно диффундируют (дрейфуют) сквозь волноводный слой к активной области (квантовой яме). Достигнув активной области, носители захватываются и термализуются на нижние энергетические уровни. Термализация происходит за счет рассеяния энергии инжектированных носителей заряда на полярных оптических фононах [9]. В свою очередь, авторами [9] показано, что для прототипа медленнее релаксируют электроны и время рассеяния энергии для электронов при взаимодействии с полярными оптическими фононами составило величину (2-8)10^-11 с. Из этой оценки времени рассеяния энергии электронов в квантовой яме следует, что электроны доставляются на энергетические уровни с конечной скоростью за время (2-8)10^-11 с [9]. После термализации инжектированных в активную область носителей заряда происходит их рекомбинация. Время, за которое термализованный носитель рекомбинирует, называется временем жизни. До порога генерации инжектируемые в активную область носители заряда участвуют в излучательной спонтанной или безызлучательной рекомбинации и характеризуются временами жизни спонтанной и безызлучательной рекомбинации соответственно. Все носители заряда, инжектированные в активную область выше порога генерации, участвуют только в стимулированной излучательной рекомбинации и характеризуются временем жизни стимулированной излучательной рекомбинации, что подтверждается близким к 100% экспериментальным значением внутреннего квантового выхода стимулированного излучения прототипа [2, 10]. Время жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации, может быть представлено как [9]

где q - заряд электрона, N - концентрация электронов в активной области, V_ar - объем активной области, η_i- квантовый выход стимулированного излучения, I - ток накачки полупроводникового лазера. При этом объем активной области может быть выражен следующим образом:

где L - длина активной области, равная длине Фабри-Перо резонатора лазерного диода, W - ширина активной области, определяемая шириной полоски лазерного диода, d_ar - толщина активной области. При достижении порога генерации концентрация носителей заряда на уровнях, с которых происходит стимулированная рекомбинация, стабилизируется. Стабилизация пороговой концентрации происходит за счет уменьшения времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации в соответствии с выражением (5). С ростом тока накачки время жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации, снижается и при некотором токе сравнивается со временем доставки носителей заряда на уровни генерации. При дальнейшем увеличении тока накачки интенсивность стимулированного излучения с этих уровней стабилизируется и происходит заполнение до пороговых значений концентрации следующих вышележащих энергетических уровней, после чего дальнейший рост интенсивности лазерного излучения происходит за счет роста интенсивности лазерного излучения при стимулированной рекомбинации носителей с новых энергетических уровней. Таким образом, с ростом тока накачки происходит заполнение активной области носителями заряда. Как следствие, растет ширина спектра генерации и увеличивается выброс электронов в волноводные слои. Рост концентрации электронов в волноводных слоях приводит к выполнению порогового условия, и наблюдается генерация излучения из волноводного слоя. Генерация излучения из волноводного слоя является эффективным каналом токовых утечек рекомбинационного тока активной области, приводящей к резкому снижению дифференциальной квантовой эффективности и, как следствие, насыщению максимальной мощности излучения [9].

Таким образом, в лазерных диодах на основе гетероструктур с квантово-размерными активными областями, в том числе в прототипе и аналогах, максимальное значение пиковой мощности в импульсном режиме генерации было обусловлено насыщением ватт-амперной характеристики, и дальнейшее увеличение пиковой мощности было невозможно. Продемонстрированные прототипом максимальные значения мощности, ограниченные насыщением ватт-амперной характеристики, далеки от потенциального предела, характеризуемого оптическим пробоем материала кристалла лазерного диода [11]. Кроме этого увеличение тока накачки до максимального значения, соответствующего предельно достижимой мощности излучения, сопровождалось уширением спектра генерации, что снижает эффективность использования лазерного излучения при накачке нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это значит, что оптимизированные для достижения максимальных мощностей излучения в непрерывном режиме генерации параметры гетероструктуры не позволяют достичь высоких мощностей излучения в импульсном режиме. Это обусловлено тем, что амплитуды импульсных токов накачки мощных импульсных лазерных диодов на порядки превышают амплитуды непрерывных токов накачки мощных лазерных диодов. Поэтому на настоящий момент остается актуальной проблема создания полупроводникового лазера, обладающего повышенной мощностью излучения в импульсном режиме генерации и одновременно узким спектром генерации.

Предлагаемое изобретение решает задачи увеличения максимальной пиковой мощности лазерного излучения при одновременном снижении ширины спектра лазерного диода в импульсном режиме генерации.

Задачи решаются тем, что в известном инжекционном лазере, содержащем гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению , где и - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1,2,3…) соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, новым является то, что активную область образует объемный слой полупроводникового материала, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода, толщина объемной активной области d_ar удовлетворяет неравенству , где - постоянная планка, m_h,e - масса дырки или электрона, λ - длина волны генерации в вакууме, Е - кинетическая энергия носителей заряда, при расчете между m_h и m_е выбирается наименьшая, а расположение в волноводе определяется из условия выполнения упомянутого соотношения , причем расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии в волноводе дырок и электронов соответственно.

В предложенном техническом решении обеспечение возможности увеличения максимальной пиковой мощности в импульсном режиме генерации стало возможным за счет увеличения объема активной области V_ar. Это связано с тем, что при одинаковых значения тока накачки лазерные диоды с большим объемом активной области будут характеризоваться большими значениями времен жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации. Значит, лазерные диоды с большим объемом активной области будут характеризоваться большими токами, при которых наступает насыщение, обусловленное снижением времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации до значения времени доставки инжектированных носителей за счет термической релаксации. В предложенном техническом решении одновременно с ростом пиковой мощности сохраняется узкой ширина спектра излучения. Это возможно за счет большего времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации по сравнению с временем термической релаксации, что не позволяет выполнить условия заполнения вышележащих энергетических уровней и достичь на них порога генерации.

Если рассматривать лазерные диоды с одинаковой шириной полоска (W), то в соответствии с (5) и (6) объем активной области можно увеличить, увеличивая длину резонатора. Для достижения высоких выходных мощностей излучения такой вариант имеет серьезные ограничения, связанные с падением внешней дифференциальной квантовой эффективности с увеличением длины резонатора более 4 мм при минимально достижимой величине внутренних оптических потерь 0.34 см^-1.

Предлагаемое нами техническое решение дает возможность увеличить объем активной области на порядки по сравнению с прототипом при сохранении величины внешней дифференциальной квантовой эффективности. При этом несмотря на то что толщина объемной активной области в изобретении существенно возрастает по сравнению с квантово-размерной активной областью в прототипе, но внутренние оптические потери в предлагаемом варианте решения возрастают незначительно. Это связано с использованием сверхтолстого многомодового волновода, что ведет к слабой локализации поля фундаментальной моды объемным слоем активной области. Низкие внутренние оптические потери (до 1 см^-1) позволят изготавливать лазерные диоды с длинами резонатора 1-3 мм без существенного падения внешней дифференциальной квантовой эффективности. Сохранение возможности изготовления лазерных диодов с длинами резонатора 1-3 мм является важным условием достижения высоких выходных оптический мощностей излучения и узкого спектра генерации. Это связано с тем, что для получения высоких выходных оптических мощностей излучения через лазерный диод необходимо пропускать токи накачки более 100 А, что соответствует плотностям токов накачки 200 кА/см² и 30 кА/см² для лазерных диодов с длинами резонатора 0.5 мм и 3 мм соответственно. А т.к. при близких значениях внешней дифференциальной эффективности для лазерных диодов с различной длиной резонатора максимальная мощность зависит от тока накачки, то наибольшей надежностью будет обладать лазер с меньшей рабочей плотностью тока. В этом случае увеличение длины резонатора позволит снизить величину плотности тока накачки.

В предложенном техническом решении минимальная толщина слоя объемной активной области характеризуется величиной . Это увеличенная в 10 раз длина волны Де Бройля, характеризующая волновую природу носителей, инжектированных в потенциальную яму. В этом случае по оптическим свойствам и энергетической структуре слой материала активной области совпадает с объемным материалом. Благодаря этому процесс термической релаксации, как показано авторами [12], имеет максимальную скорость.

В предложенном техническом решении за счет слабой локализации оптического поля фундаментальной моды в активной области ее максимальная толщина ограничена величиной 0.1·λ, при которой удается сохранить внутренние оптические потери на уровне 1 см^-1. Дальнейшее увеличение толщины активной области нецелесообразно, т.к. это ведет к резкому росту внутренних оптических потерь и соответственно падению мощности выходящего излучения.

Для создания предлагаемого лазера, принимая во внимание длину волны генерации (λ), выбирают толщину активной области, удовлетворяющую неравенству , а также материалы для слоев оптического ограничения и волновода лазерной гетероструктуры, лежащей в основе изобретения. Выбор материалов для слоев оптического ограничения и волновода основывается на тех же принципах, которые были изложены для прототипа и аналогов. Учитывая желаемую полуширину дальнего поля на половине интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу (Θ⊥), используя соотношение из работы [8, с.94], связывающее значение Θ⊥ с распределением поля в гетероструктуре и волновое уравнение, которое связывает распределение поля в гетероструктуре с параметрами слоев, определяют возможные толщины волновода. Для определения положения активной области находят все решения волнового уравнения для определения всех возможных конфигураций поля, далее определяют зависимость фактора оптического ограничения активной области от ее положения в волноводе для всех определенных конфигураций поля. Далее проверяют выполнение условия (4) и из всех положений активной области, для которых неравенство (4) выполняется, выбирают любое, в котором расстояния от слоев оптического ограничения, выполняющих одновременно роль широкозонных эмиттеров, до активной области не больше длины диффузии инжектированных носителей заряда.

На чертеже представлено схематическое изображение сечения одного из примеров выполнения предлагаемого инжекционного лазера, который в общем случае включает в себя следующие элементы: подложка 1 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 2, с противоположной стороны располагается легированный примесью n-типа слой оптического ограничения (широкозонный эмиттер) 3, далее расположены: первая часть волноводного слоя 4, объемный слой активной области 5, вторая часть волноводного слоя 6, легированный примесью р-типа слой оптического ограничения 7, контактный слой 8, легированный примесью р-типа, омический контакт 9. На сколотую грань 10 нанесены просветляющие (R=5%) диэлектрические покрытия, на сколотую грань 11 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия. Грани 10 и 11 образуют резонатор Фабри-Перо.

Работа лазера.

Через омические контакты 2 и 9 пропускают импульсный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению р-n перехода. Для подавления перегрева активной области длительность импульса менее 100 нс, а частота менее 100 кГц. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения через просветляющее покрытие, нанесенное на грань 10, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения помимо параметров структуры зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока.

Пример 1

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=867 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры прототипа: активная область 5 была выполнена из слоя GaAs (m_e=0.07m_o, m_h=0.5m_о, Е=0.025 мэВ, где m_о - масса свободного электрона) толщиной 800 с шириной запрещенной зоны 1.42 эВ, волновод 4 и 6 - из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As (n=3.419), эмиттерные слои 3 и 7- из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As(n=3.34). Была выбрана предварительная толщина волноводного слоя (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения) D_O=1.7 мкм. Для волновода, выполненного из Al_0.326Ga_0.674As с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3 (длина диффузии электронов - L_N=9 мкм и дырок - L_p=2 мкм), она составляла D_O=1.7 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 0.4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (4) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 1 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения 3, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 4, выполненная из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As толщиной 1.26 мкм, далее располагается активная область 5, выполненная из GaAs толщиной 800 Å, далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As толщиной 0.36 мкм, далее располагается легированный магнием до степени P=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения 7, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 8, выполненный из GaAs толщиной 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 9. На одну из сколотых граней 10 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 11 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 2 мм. Для такого лазерного диода мощность излучения в импульсном режиме генерации (длительность импульса 100 нс, а частота 10 кГц) достигает 195 Вт, ширина спектра излучения составляет 11 нм.

Пример 2

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=867нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры прототипа: активная область 5 была выполнена из слоя GaAs толщиной 1200 с шириной запрещенной зоны 1.42 эВ, волновод 4 и 6 - из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As (n=3.431), эмиттерные слои 3 и 7 - из твердого раствора Al_0.5Ga_0,5As(n=3.34). Была выбрана предварительная толщина волноводного слоя (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения) D_O=2.7 мкм. Для волновода, выполненного из Al_0.3Ga_0.7As с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3, она составляла D_O=2.7 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 0.6 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (4) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 1 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения 3, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 4, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 2.04 мкм, далее располагается активная область 5, выполненная из GaAs толщиной 1200 А, далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 0.54 мкм, далее располагается легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения 7, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 8, выполненный из GaAs толщиной 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 9. На одну из сколотых граней 10 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 11 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 2.5 мм. Для такого лазерного диода мощность излучения в импульсном режиме генерации (длительность импульса 50 нс, а частота 10 кГц) достигает 210 Вт, ширина спектра излучения составляет 14 нм.

Литература

[1] A.Al-Muhanna, L.J.Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelly, J.C.Conolly. Appl. Phys. Lett., v.73, No.9 (1998), pp.1182-1184.

[2] С.О.Слипченко, Д.А.Винокуров, Н.А.Пихтин, З.Н.Соколова, А.Л.Станкевич, И.С.Тарасов, Ж.И.Алферов. ФТП, т.38, с.1477 (2004).

[3] Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, А.В.Лютецкий, Д.Н.Николаев, Н.А.Пихтин, А.В.Рожков, Н.А.Рудова, С.О.Слипченко, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, М.А.Хомылев, В.В.Шамахов, К.С.Борщев, И.С.Тарасов. ПЖТФ, т.32, вып.16, с.47 (2006).

[4] Д.А.Винокуров, А.Л.Станкевич, В.В.Шамахов, В.А.Капитонов, А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, Д.Н.Николаев, Н.А.Пихтин, Н.А.Рудова, З.Н.Соколова, С.О.Слипченко, М.А.Хомылев, И.С.Тарасов. ФТП, т.40, с.764 (2006).

[5] Патент RU №2259620, опубл. 27.08.2005.

[6] Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, Д.Н.Николаев, А.Л.Станкевич, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, И.Н.Арсентьев, И.С.Тарасов. ФТП, т.35, с.1380 (2001).

[7] Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, т.38, с.374 (2004).

[8] Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах. Москва, Мир, 1981.

[9] С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.А.Пихтин, К.С.Борщев, Д.А.Винокуров, И.С.Тарасов. ФТП, т.40, с.1017 (2006).

[10] Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, т.36, с.364 (2002).

[11] А.Н.Пихтин. Оптическая и квантовая электроника. Москва, Высшая школа, 2001.

[12] Л.Е. Воробьев, С.Н.Данилов, Е.Л.Ивченко, М.Е.Левинштейн, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах. Санкт-Петербург, Наука, 2000.

Импульсный инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению где и - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, отличающийся тем, что активную область образует объемный слой полупроводникового материала, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода, толщина объемной активной области d_ar удовлетворяет неравенству где - постоянная планка, m_h,е - масса дырки или электрона, λ - длина волны генерации в вакууме, Е - кинетическая энергия носителей заряда, при расчете между m_h и m_e выбирается наименьшая, причем расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии в волноводе дырок и электронов соответственно.