Полупроводниковый усилитель оптического излучения



Полупроводниковый усилитель оптического излучения
Полупроводниковый усилитель оптического излучения
Полупроводниковый усилитель оптического излучения

 


Владельцы патента RU 2539117:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российский академии наук (RU)

Использование: усиление оптического излучения. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый усилитель оптического излучения включает гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости и p-типа проводимости, волноводный слой, активную область, включающую по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры, первый омический контакт на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий область усиления и область инжекции, область поглощения, расположенную вне области усиления, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя, общего для областей усиления и поглощения, к области поглощения сформирован по меньшей мере один третий омический контакт, расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости и геометрические размеры которого определяют согласно заданному соотношению. Электрическая изоляция второго омического контакта и третьего омического контакта обеспечивается вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера р-типа проводимости. Технический результат: обеспечение возможности упрощения технологии процессов, увеличение оптической мощности входного лазерного импульса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к квантовой электронике и квантовым усилителям, а именно к полупроводниковым усилителям оптического излучения лазеров.

Для широкого спектра практических приложений требуются источники лазерного излучения с высокой импульсной мощностью, узкой линией спектра генерации и одномодовой структурой излучения: беспроводная оптическая связь, нелинейная оптика (получение высших гармоник - переход в видимую область спектра, генерация терагерцового излучения), спектроскопия с временным разрешением, метрологические задачи (атомная спектроскопия, стандарты часов), радиолокационные системы на основе антенн с фазированными решетками, системы мониторинга окружающего пространства (сюда входят такие задачи, как: дальнометрия, измерение скоростей движущихся объектов и воздушных потоков, контроль химического состава).

Известно, что лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур способны демонстрировать излучательные характеристики с параметрами, необходимыми для практических приложений: высокой импульсной мощностью (I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, D.A. Vinokurov, V.A. Kapitonov, M.A. Khomylev, A.Yu. Leshko, A.V. Lyutetskiy, A.L. Stankevich. High Power Lasers Based on Low Internal Loss Asymmetric Separate Confinement Quantum Well Heterostructures. (Review) Spectrochimica Acta Part A 66 (2007), issues 4-5, (April), 819-823), узкой линией спектра генерации (В.В. Васильева, Д.А. Винокуров, В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.Н. Петрунов, Н.А. Пихтин, М.Г. Растегаева, З.Н. Соколова, И.С. Шашкин, И.С. Тарасов, Дифракционные решетки с отражением в высоком порядке для мощных полупроводниковых лазеров, ФТП, 2012, том 46, выпуск 2) и одномодовой структурой излучения (А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, Е.Г. Голикова*, Ю.А. Рябоштан*, И.С. Тарасов. Мощные одномодовые лазерные диоды на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур (lambda=1.3-1.6 мкм), ФТП, 2002, том 36, выпуск 11). При этом такие излучатели характеризуются малыми габаритами, высокой энергоэффективностью и низкой стоимостью. Однако проблема заключается в том, что невозможно одновременно достичь требуемых значений всех параметров в рамках одного монолитного полупроводникового лазера (Р.W. Juodawlkis, J.J. Plant, W. Loh, L.J. Missaggia, F.J. O'Donnell, D.C. Oakley, A. Napoleone, J. Klamkin, J.T. Gopinath, D.J. Ripin, S. Gee, P.J. Delfyett, J.P. Donnelly. High-Power, Low-Noise 1.5-µm Slab-Coupled Optical Waveguide (SCOW) Emitters: Physics, Devices, and Applications. J. of Selected topics in Quantum Electronics. 2011. Vol.17, No.6. p.1698). Принципиально, для полупроводникового лазера, возможно получение одномодового лазерного излучения с узкой линией спектра генерации, но низкой выходной оптической мощностью. Проблема увеличения выходной оптической мощности решается путем создания лазерных систем на основе полупроводниковых усилителей оптического излучения. Общий принцип функционирования такой системы заключается в том, что маломощное излучение задающего лазера-генератора, характеризуемое узким спектром и одномодовой структурой, вводится в полупроводниковых усилителях оптического излучения. В итоге, на выходе усилителя формируется излучение большей мощности и с теми же спектральными и модовыми параметрами.

Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2002154393), который включает волновод для фундаментальной моды, который обеспечивает распространение света со структурой фундаментальной моды, первый многомодовый волновод, который имеет большую ширину, чем волновод для фундаментальной моды, и оптически связан с волноводом для фундаментальной моды, и обеспечивает распространение модовых структур, второй многомодовый волновод, который имеет большую ширину, чем первый многомодовый волновод, и оптически связан с первым многомодовым волноводом и обеспечивает распространение модовых структур.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.

Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2005111079). Устройство известного полупроводникового усилителя оптического излучения включает сигнальный волновод для ведения оптического сигнала вдоль сигнального пути, и далее состоящий из одного или нескольких лазерных резонаторов, имеющих область усиления, лежащую вне сигнального волновода, область усиления располагается достаточно близко к сигнальному волноводу, так что, когда область усиления накачивается током, оптический сигнал, проходящий дальше по сигнальному волноводу, усиливается из-за крайне слабой связи с резонатором лазера. Когда область усиления достаточно накачана, чтобы обеспечить лазерную генерацию в лазерном резонаторе, то достигается насыщение усиления оптического сигнала. Дополнительные особенности, связанные с сегментированным лазерным резонатором, - это раздельная накачка области лазерного резонатора, области решетки, профилирование тока, что улучшает шумовые характеристики прибора, подавление эффекта взаимного влияния при инжекции, возможность манипуляции пиковым усилением, интеграция с фотодетектором, интеграция с модулятором.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.

Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2007258495), который состоит из активного волновода, активный волновод, включающий первый волновод, который поддерживает множество мод, включая фундаментальную моду, и второй волновод, который шире, чем первый волновод, и поддерживает многомодовую структуру, в которой фундаментальная мода обеспечивается генерацией света из активного волновода.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.

Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2012243074). Известный полупроводниковый усилитель оптического излучения включает входную поверхность волноводной секции оптического усилителя, которая имеет первый покрывающий слой. Выходная поверхность волноводной секции оптического усилителя, которая связана с входной поверхностью волноводной секции оптического усилителя и имеющая второй активный покрывающий слой, который шире, чем первый покрывающий слой. Ширина первого активного покрывающего слоя и относительная разность показателя преломления между первым активным покрывающим слоем и подстроечным слоем секции эмиттера в ширину в направлении второго активного покрывающего слоя установлены так, что плотность носителей и фактор оптического ограничения в первом активном покрывающем слое выше, чем плотность носителей и фактор оптического ограничения во втором активном покрывающем слое.

Полупроводниковый усилитель оптического излучения состоит из секции 1 - входная сторона и входной волновод усилителя, секции 2 - выходная сторона и выходной волновод усилителя, связанный с входным волноводом усилителя, входной световой сигнал усилителя, который поступает из входной секции 1 и выходит как выходной оптический сигнал из выходной стороны секции 2. Электрические контакты к верхним слоям сформированы только к области инжекции, остальная часть поверхности верхнего слоя секции 1 покрыта полиамидом, а поверхность секции 2, не покрытая контактом, закрыта защитным диэлектриком.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.

Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, О. Parillauda, M. Krakowski, I. Esquivias, H. Odriozola, J.M.G. Tijerob, C.H. Kwokc, R.V. Pentyc, I.H. White. - Two-sections tapered diode lasers for 1 Gbps free-space optical communications with high modulation efficiency Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. - Proc. of SPIE Vol.7616, 76161F·2010 SPIE·CCC code: 0277-786X/10/$18·doi: 10.1117/12.840702) на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктуры, интегрированный малосигнальный генератор лазерных импульсов длиной 1 мм, представляющий полосковую конструкцию, ограниченную в продольном направлении протравленными мезаканавками, и оптический полупроводниковый усилитель длиной 2 мм, характеризующийся расширяющейся в плоскости слоев гетероструктуры под углом 40° областью инжекции. Интегрированный малосигнальный генератор лазерных импульсов и оптический полупроводниковый усилитель были электрически изолированы друг от друга. Была получена пиковая мощность 530 мВт при генерации случайной последовательности импульсов. Достигнутые импульсные характеристики были получены при непрерывной накачке секции усиления током 1,1 А и импульсной накачке секции управления током амплитудой 48 мА. Физический принцип работы предлагаемой конструкции заключался в следующем: оптический импульс, генерируемый импульсным током накачки в интегрированном малосигнальном генераторе лазерных импульсов, усиливался, распространяясь в оптическом полупроводниковом усилителе.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. X. Wang, G. Erbert, H. Wenzel, В. Eppich, P. Crump, A. Ginolas, J. Fricke, F. Bugge, M. Spreemann and G. Trankle. High-power, spectrally stabilized, near-diffraction-limited 970 nm laser light source based on truncated-tapered semiconductor optical amplifiers with low confinement factors, Semicond. Sci. Technol. 27 (2012) 015010). Полупроводниковый усилитель оптического излучения - прототип - содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую расширенный волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя. Полупроводниковый усилитель оптического излучения также содержит грани, ограничивающие кристалл усилителя в плоскости поперек слоям гетероструктуры. Одна из граней является оптическим входом, а противоположная - оптическим выходом. На поверхности граней оптического входа и оптического выхода нанесены просветляющие покрытия. Первый омический контакт расположен со стороны подложки, а второй - со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирует область усиления и область инжекции. Области кристалла вне области усиления формируют области поглощения. В областях поглощения потери сформированы за счет имплантации ионов. Известный полупроводниковый усилитель оптического излучения обеспечивает сохранение одномодовой структуры излучения в параллельной плоскости до выходной мощности порядка 4 Вт.

Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является сложность технологии изготовления, связанная с необходимостью использования технологии имплантации ионов водорода в пассивные области для подавления замкнутой моды.

Задачей настоящего изобретения является разработка такой конструкции полупроводникового усилителя оптического излучения, которая бы обеспечивала упрощение технологии изготовления за счет удаления дорогостоящих технологических процессов, при этом сохраняла бы функции эффективного оптического усилителя, обеспечивая увеличение оптической мощности входного лазерного импульса, при сохранении его спектральных и модальных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что конструкция предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения включает гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости и p-типа проводимости, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя, заключенного между ними, расположенной в нем активной области, включающей по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры, одна из которых является оптическим входом, а противоположная - оптическим выходом, нанесенные на поверхности грани оптического входа и грани оптического выхода просветляющие покрытия, первый омический контакт на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт, расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости и формирующий область усиления и область инжекции, область поглощения, расположенную вне области усиления, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя, общего для областей усиления и поглощения, по меньшей мере один третий омический контакт к области поглощения, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости, геометрические размеры которого удовлетворяют неравенству

q·αмакс·Sпогл≥k·Gмакс·Sус

k=1.1

q≥0.5

αмакс - максимальное значение оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка (см-1), Gмакс - материальное усиление в активной области, достигаемое при заданном рабочем токе через второй омический контакт (см-1), Sпогл - площадь третьего омического контакта (см2), Sус - площадь второго омического контакта (см2), k - коэффициент учитывает возможные неоднородности и флуктуации в области усиления (отн.ед.), q - коэффициент связи максимального значения оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка с минимальными оптическими потерями в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления (отн.ед.), при этом каждый второй омический контакт электрически изолирован от каждого третьего омического контакта.

Электрическая изоляция второго омического контакта от третьего омического контакта обеспечивается вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера p-типа проводимости.

Улучшение таких характеристик, как упрощение технологии изготовления предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения, обеспечивается за счет включения третьего омического контакта к области поглощения, электрически изолированной от области усиления, обеспечивающего такие оптические потери, что пороговые условия генерации замкнутой моды не выполняются. Использование области усиления с подавленными обратными связями для паразитных модовых структур обеспечивает увеличение оптической мощности входного лазерного импульса, при сохранении его спектральных и модальных характеристик.

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан известный полупроводниковый усилитель оптического излучения;

на фиг.2 показан заявляемый полупроводниковый усилитель оптического излучения;

на фиг.3 приведены качественные зависимости усиления в активной области (Gмат), от длины волны (λ) при токе I1 (кривая 1) и токе I2>I1 (кривая 2), пропускаемом через область усиления; кривая 3 - зависимость интенсивности потока фотонов (Iсп), получившихся в результате спонтанной рекомбинации, от длины волны (λ) для тока накачки в области усиления I2; кривая 4 - зависимость оптических потерь в области поглощения (αпогл) от длины волны (λ) при сохранении фотогенерированных носителей заряда при накачке области усиления током I2; кривая 5 - зависимость оптических потерь в области поглощения (αпогл) от длины волны (λ) при экстракции фотогенерированных носителей заряда и отсутствии эффекта Штарка; кривая 6 - зависимость оптических потерь в области поглощения (αпогл) от длины волны (λ) при экстракции фотогенерированных носителей заряда и наличии эффекта Штарка.

В общем случае конструкция известного полупроводникового усилителя оптического излучения (фиг.1) включает гетероструктуру, выращенную на подложке n-типа проводимости 1, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости 2 и p-типа проводимости 3, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя 4, заключенного между ними, расположенной в нем активной области 5, включающей, по меньшей мере, один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры 6, 7, 8, 9, одна из которых является оптическим входом 6, а противоположная 8 - оптическим выходом, нанесенные на грань оптического входа и грань оптического выхода просветляющие покрытия 10, первый омический контакт 11 на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт 12 (заштрихован точками), расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости 3 и формирующий область усиления 13 (заштрихована перекрестными линиями) и область инжекции 14 (заштрихована вертикальными линиями), область поглощения 15 (заштрихована горизонтальными линиями), расположенную вне области усиления 13, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны, по меньшей мере, через часть волноводного слоя 4, общего для областей усиления 13 и поглощения 15. Элемент 16, обеспечивающий электрическую изоляцию омического контакта 12 от области поглощения 15, сформирован имплантацией ионов или вытравленной мезаканавой.

Конструкция предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения (фиг.2) включает гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости 1, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости 2 и p-типа проводимости 3, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя 4, заключенного между ними, расположенной в нем активной области 5, включающей по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры 6, 7, 8, 9, одна из которых является оптическим входом 6, а противоположная 8 - оптическим выходом, нанесенные на поверхности грани оптического входа и грани оптического выхода просветляющие покрытия 10, первый омический контакт 11 на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт 12 (заштрихован точками), расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости 3 и формирующий область усиления 13 (заштрихована перекрестными линиями) и область инжекции 14 (заштрихована вертикальными линиями), область поглощения 15 (заштрихована горизонтальными линиями), расположенную вне области усиления 13, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя 4, общего для областей усиления 13 и поглощения 15, по меньшей мере один третий омический контакт 17 к области поглощения 15, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости 3, при этом каждый второй омический контакт 12 электрически изолирован от каждого третьего омического контакта 17. Элемент 16, обеспечивающий электрическую изоляцию второго омического контакта 12 от третьего омического контакта 17, сформирован вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера p-типа проводимости 3.

Физический принцип работы полупроводникового усилителя оптического излучения заключается в том, что прямой ток, величина которого больше тока прозрачности, протекая через область усиления, создает в активной области инверсную концентрацию электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, формирующую эффект усиления за счет индуцированных потоком фотонов межзонных оптических переходов. Чем больше ток, тем выше инверсная концентрация, тем большее значение усиления можно получить (фиг.3, кривая 1, 2). Максимальное значение усиления на переходах между выбранными энергетическими состояниями достигается при полном заполнении носителями заряда всех энергетических состояний данных уровней. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне имеют квазинепрерывное распределение по энергии. В этом случае энергетический диапазон, для которого достигается эффект усиления, может быть достаточно широким (фиг.3, кривая 1, 2) (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Спектры электролюминесценции и поглощения полупроводниковых лазеров с низкими оптическими потерями на основе квантово-размерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs, ФТП, т.45, вып.5, с.682 (2011)). Т.к. для всех излучающих приборов используемые материалы активной области являются прямозонными, то во всем энергетическом интервале, заполненном носителями заряда, происходит межзонная спонтанная излучательная рекомбинация, создающая поток спонтанных фотонов (фиг.3, кривая 3), в том числе распространяющихся вдоль области усиления. В этом случае любая паразитная обратная связь, возникшая в кристалле полупроводникового усилителя для спонтанных фотонов, генерируемых активной средой области усиления, приводит к уменьшению эффективности прибора, падению коэффициента усиления. Также не подавленная обратная связь ведет к выполнению пороговых условий генерации для паразитных модовых структур, в том числе замкнутых мод, захватывающих области поглощения (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Анализ пороговых условий генерации замкнутой моды в полупроводниковых лазерах Фабри-Перо, ФТП, т.45, вып.5, с.672 (2011); С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов. Анализ условий срыва генерации мод резонатора Фабри-Перо в полупроводниковых лазерах с полосковым контактом, ФТП, т.45, вып.10, с.1431 (2011)). Т.к. за порогом генерации любой модовой структуры усиление в активной области фиксируется, то, в результате выполнения пороговых условий генерации паразитных модовых структур, дальнейшее повышение коэффициента усиления невозможно. Обратная связь, формируемая гранями оптического входа и оптического выхода, подавляется за счет наносимых на их поверхности просветляющих покрытий. Обратная связь для замкнутых модовых структур подавляется за счет внесения внутренних модальных оптических потерь в область поглощения, больших, чем достигаемое модальное усиление. Естественным источником потерь для области поглощения является межзонное поглощение материала активной области. Однако для пассивного варианта области поглощения, когда есть только межзонное поглощение активной области и не используются дополнительные каналы удаления фотогенерированных носителей заряда, поток спонтанных фотонов из области усиления может снизить межзонное поглощение до состояния просветления (фиг.3, кривая 4). Это связано с тем, что, для прямозонных материалов, концентрация накопленных фотогенерированных носителей в активной области увеличивается с ростом потока поглощаемого излучения (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов. Анализ условий срыва генерации мод резонатора Фабри-Перо в полупроводниковых лазерах с полосковым контактом, ФТП, т.45, вып.10, с.1431 (2011); С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, Москва, Мир, 1987). Оптические потери в области поглощения также могут быть сформированы за счет облучения ионами, формирующими центры безызлучательной рекомбинации в объеме полупроводника. Однако в этом случае необходимо использовать дорогостоящие технологии, что увеличивает стоимость усилителя. Предлагаемый в настоящем изобретении способ повышения внутренних оптических потерь основан на том, что третий омический контакт, сформированный к области поглощения, позволит эффективно увеличивать величину оптических потерь за счет двух механизмов. Первый механизм связан с подавлением эффекта накопления фотогенерированных носителей заряда в области поглощения за счет их экстракции при приложении обратного напряжения между по крайней мере одним третьим омическим контактом области поглощения и первым омическим контактом (фиг.3, кривая 5). Второй механизм связан с использованием квантово-размерного эффекта Штарка, в результате которого электрическое поле смещает спектр поглощения активной области в длинноволновую область (фиг.3, кривая 6). В нашем случае это поле области объемного заряда, в которое попадает активная область. А т.к. для области усиления характерен эффект смещения спектра в длинноволновую область за счет высоких концентраций носителей (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Спектры электролюминесценции и поглощения полупроводниковых лазеров с низкими оптическими потерями на основе квантово-размерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs, ФТП, т.45, вып.5, с.682 (2011)) до λкр_ус, то перестройкой спектра оптических потерь области поглощения с λкр_мин, длины волны, характеризующей край поглощения без учета накопленных фотогенерированных носителей и эффекта Штарка, до λкр_макс, длины волны, характеризующей край поглощения при эффекте Штарка, обеспечивает полное перекрытие спектров спонтанного излучения области усиления и спектра оптических потерь области поглощения. Принимая во внимание соотношение, связывающее максимальное значение оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка (αмакс) (фиг.3, кривая 5) с минимальными оптическими потерями при экстракции фотогенерированых носителей заряда и эффекте Штарка, в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления (αмин) (фиг.3, кривая 6) в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления (фиг.3, кривая 1, 3, 6)

αмин≥q·αмакс, при q 0.5                     ( 1 )

q - коэффициент связи максимального значения оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка с минимальными оптическими потерями в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления. То для подавления генерации замкнутых модовых структур характеристики области поглощения должны удовлетворять следующему неравенству

α м и н Г п о г л > k G м а к с Г у с                        ( 2 )

где Gмакс - максимальное значение материального усиления в активной области, достигаемое при заданном рабочем токе через второй омический контакт (см-1), Гпогл - фактор оптического ограничения замкнутой моды в области поглощения (отн.ед.). Гус - фактор оптического ограничения замкнутой моды в области усиления (отн.ед.), коэффициент k=1.1, и учитывает возможные неоднородности и флуктуации в области усиления. Принимая, что поглощение и усиление происходит в активной области, то факторы оптического ограничения удовлетворяют выражениям

Г п о г л = Г А О S п о г л S п о г л + S у с                               ( 3 )

Г у с = Г А О S у с S п о г л + S у с                                   ( 4 )

где ГАО - поперечный фактор оптического ограничения замкнутой моды в активной области, определяемый свойствами волноводного слоя и слоев оптического ограничения (отн.ед.), Sпогл - площадь третьего омического контакта (см2), Syc - площадь второго омического контакта (см2). Тогда неравенство (2) можно переписать как

q α м а к с S п о г л k G м а к с S у с                                    ( 5 )

Sпогл=W·L

где W - ширина третьего омического контакта (см), L - длина третьего омического контакта (см). Неравенство (5) определяет геометрические размеры области поглощения, обеспечивающие подавление генерации замкнутых модовых структур при использовании способа повышения оптических потерь, основанного на экстракции фотогенерированных носителей и эффекта Штарка за счет сформированного третьего омического контакта.

Настоящий полупроводниковый усилитель оптического излучения работает следующим образом. К первому и второму омическим контактам прикладываются напряжения такие, что разность потенциалов соответствует прямому смещению p-n-перехода в области усиления. Значения напряжений выбираются исходя из необходимого тока накачки, который обеспечивает требуемое усиление. Для подавления генерации замкнутых мод к третьему омическому контакту прикладывается такое напряжение, что разность потенциалов между третьим и первым омическими контактами обеспечивает обратное смещение p-n-перехода в области поглощения. Величина приложенного напряжения к третьему омическому контакту должна обеспечивать полное перекрытие спектров спонтанного излучения области усиления и оптических потерь области поглощения, а также выполнение равенства (1). Включение и выключение прикладываемых напряжений ко всем омическим контактам должно происходить одновременно. После включения всех напряжений в область усиления через оптический вход вводится внешний сигнал для усиления. После выключения внешнего сигнала для усиления напряжения могут быть выключены или оставаться во включенном состоянии до следующего внешнего сигнала для усиления.

Пример

Для реализации настоящего полупроводникового усилителя оптического излучения была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой Al0.1Ga0.9As толщиной 2.1 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al0.25Ga0.75As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al0.13Ga0.87As n-типа проводимости толщиной 2,5 мкм, активную область, состоящую из двух квантово-размерных активных слоев In0.24Ga0.74As толщиной 8 нм, разделенных слоем GaAs толщиной 12 нм, расположенную на расстоянии 0.6 мкм от широкозонного эмиттера Al0.25Ga0.75As p-типа проводимости. Ширина оптического входа составила 200 мкм и соответствовала ширине луча внешнего сигнала. Ширина оптического выхода составила также 200 мкм, длина области усиления составила 5 мм. Для получения требуемого усиления к первому и второму омическим контактам прикладываем напряжения, обеспечивающие протекание прямого тока через область усиления, равного 10 А. В этом случае максимальное усиление составляет 2000 см-1. Для области поглощения максимальные оптические потери составляют αмакс=10000 см-1. Учитывая, что длинноволновая граница спектра спонтанного излучения λкр_ус=1080 нм, а длина волны края оптических потерь в области поглощения λкр_мин=1060 мн, то для выполнения условия (1) необходимо приложить напряжение к третьему омическому контакту, дающее разность потенциалов -10 В с первым омическим контактом, тогда αмин=7000 см-1, q=0.7. В соответствии с неравенством (5) площадь секции поглощения должна удовлетворять следующему выражению

S п о г л 3.1 10 3  см 2                           ( 5 )

При условии, что протяженность первого омического контакта совпадает с длиной области усиления (5 мм), получаем, что ширина третьего омического контакта должна составлять 63 мкм. Далее к полупроводниковому усилителю оптического излучения с выбранными размерами области усиления и области поглощения одновременно прикладываются заявленные потенциалы, обеспечивающие протекание прямого тока в области усиления 10 А и подавляющие генерацию замкнутых мод. После чего в оптический вход вводится одномодовый оптический лазерный импульс длительностью 100 нс, амплитудой 500 мВт, длиной волны 1065 нм. На оптическом выходе получается одномодовый лазерный импульс с теми же спектральными характеристиками и мощностью 6 Вт. После завершения входного лазерного импульса рабочие напряжения выключаются.

1. Полупроводниковый усилитель оптического излучения, включающий гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости и p-типа проводимости, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя, заключенного между ними, расположенной в нем активной области, включающей по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры, одна из которых является оптическим входом, а противоположная - оптическим выходом, нанесенные на поверхности грани оптического входа и грани оптического выхода просветляющие покрытия, первый омический контакт на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий область усиления и область инжекции, область поглощения, расположенную вне области усиления, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя, общего для областей усиления и поглощения, отличающийся тем, что к области поглощения сформирован по меньшей мере один третий омический контакт, расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости, геометрические размеры которого удовлетворяют соотношениям:
q·αмакс·Sпогл≥k·Gмакс·Sус
k=1.1
q≥0.5
αмакс - максимальное значение оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка (см-1),
Gмакс - материальное усиление в активной области, достигаемое при заданном рабочем токе через второй омический контакт (см-1),
Sпогл - площадь третьего омического контакта (см2),
Syc - площадь второго омического контакта (см2),
k - коэффициент учитывает возможные неоднородности и флуктуации в области усиления (отн.ед.),
q - коэффициент связи максимального значения оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка с минимальными оптическими потерями в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления (отн.ед.),
при этом каждый второй омический контакт электрически изолирован от каждого третьего омического контакта.

2. Полупроводниковый усилитель оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что электрическая изоляция второго омического контакта от третьего омического контакта обеспечивается вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера p-типа проводимости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых лазеров. Способ сборки полупроводниковых лазеров включает захват линейки лазерных диодов вакуумным инструментом, фиксирование линейки на контактной площадке теплоотвода, сжатие, нагрев в среде инертно-восстановительного газа, выдержку при температуре выше температуры образования многофазного эвтектического межсоединения и охлаждение полученного блока.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам тестирования параметров планарных полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN.

Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных полупроводниковых лазеров на основе многопроходных р-n-гетероструктур. .

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых лазерных диодов и линеек. .

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для атомной спектроскопии и метрологии. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к лазерам на основе многопроходных p-n гетероструктур. .

Изобретение относится к технологии производства изделий, имеющих шпинельную кристаллическую структуру, таких как пластины, подложки и активные устройства, в которые они входят.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, к мощным и компактным полупроводниковым лазерам. .

Использование: для управления лазерным излучением. Сущность изобретения заключается в том, что инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением на основе гетероструктуры содержит первый оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны первым распределенным Брэгговским зеркалом, формирующим второй отражатель, второй оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны третьим отражателем, секцию усиления, общую область усиления, секцию управления, область поглощения, первый омический контакт, второй омический контакт, третий омический контакт, элемент, обеспечивающий электрическую изоляцию, первый оптический Фабри-Перо резонатор оптически связан со вторым оптическим Фабри-Перо резонатором через часть волноводного слоя, при этом отражатели формируют такие спектры оптических потерь на выход, при которых выполняется заданное условие. Гетероструктура инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением включает волноводный слой, заключенный между широкозонным эмиттером p-типа проводимости и широкозонным эмиттером n-типа проводимости, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, подложку. Технический результат: обеспечение возможности изменения выходной оптической мощности, длины волны генерации, заужение спектра лазерной генерации, повышение энергетической эффективности, снижения времени включения и выключения излучаемых лазерных импульсов. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: для генерации лазерного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что инжекционный лазер включает полупроводниковую гетероструктуру, содержащую волноводный слой, заключенный между верхним и нижним широкозонными эмиттерами соответственно p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, с активной областью, состоящей по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптического резонатора Фабри-Перо и полоскового омического контакта, под которым расположена область инжекции, причем в верхнем эмиттере p-типа проводимости в области омического контакта выполнены мезаканавки длиной, равной или меньшей ширины омического контакта, и эквидистантно расположенные с периодом, определяемым согласно заданному соотношению. Мезаканавки в поперечном сечении выполнены в форме клина, одна из граней которого перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки. Технический результат: обеспечение возможности генерации инжекционным лазером суженного спектра излучения. 3 ил.

Использование: источник излучения. Сущность изобретения заключается в том, что источник излучения включает активный слой из полупроводникового материала, многослойную структуру с периодически чередующимися слоями с отличающимися показателями преломления, электрические контакты - верхний и нижний, верхний представляет собой тонкую металлическую пленку толщиной от 3 нм до 30 нм, расположенную над данным активным слоем на расстоянии не более 70 нм, толщины слоев в данной многослойной структуре и толщина данной тонкой металлической пленки выбраны таким образом, чтобы данная структура поддерживала длиннопробежное распространение поверхностных плазмонов вдоль ее поверхности, причем эффективный показатель преломления такого распространения был близок к показателю преломления внешней среды. Технический результат: обеспечение возможности увеличения интенсивности выходного излучения, улучшения пространственных и частотных характеристик излучения, упрощения конструкции при производстве полупроводниковых источников излучения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для получения управляемой последовательности мощных лазерных импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что лазер-тиристор содержит катодную область (1), включающую подложку n-типа проводимости (2), широкозонный слой n-типа проводимости (3), анодную область (4), включающую контактный слой p-типа проводимости (5), широкозонный слой p-типа проводимости (6), одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область (13), первую базовую область (7), слой p-типа проводимости (8), вторую базовую область (9), слой n-типа проводимости (10), волноводную область (12), оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью (14) с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью (15), первый омический контакт (16), второй омический контакт (18), мезаканавку (19), третий омический контакт (20), при этом параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют определенным выражениям. Технический результат: обеспечение возможности увеличения пиковой выходной оптической мощности и снижение амплитуды сигнала управления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх