Способ получения лазерного излучения с малой расходимостью и диодный лазер для его осуществления
Владельцы патента RU 2627192:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU)
Использование: для получения диодных лазеров с малой расходимостью излучения, выполненных на основе полупроводниковой гетероструктуры с квантовыми ямами. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает возбуждение носителей по крайней мере в одной квантовой яме в активной области, заключенной в гетероструктуре между ограничительными слоями, сформированными на подложке в виде p-i-n или p-n-перехода, и генерацию излучения при увеличенной апертуре его выхода, в котором для расширения упомянутой апертуры в направлении, нормальном к плоскости гетероструктуры, и излучения при этом параллельно указанной плоскости обеспечивают частичный выход генерируемой фундаментальной моды в подложку за счет подбора достаточно тонкого ограничительного слоя со стороны подложки и управления превышением эффективного показателя преломления генерируемой фундаментальной моды над показателем преломления подложки на величину, не превышающую 0,0011. Технический результат: обеспечение возможности улучшения расходимости излучения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Группа изобретений относится к приборостроению в области квантовой оптоэлектроники, в частности к диодным лазерам с малой расходимостью излучения, выполненным на основе полупроводниковой гетероструктуры с квантовыми ямами.
Расходимость лазерного излучения является базовой технической характеристикой излучения полупроводникового лазера и в связи с особенностью диодных лазеров позволяет генерировать расходящееся излучение, ухудшающее качество излучения диодных лазеров без специальных мер, понижающих дифракцию лазерного излучения на выходной щели, разработка последних продолжает оставаться крайне актуальной.
Изложенный вывод подтверждается состоянием известных в уровне техники диодных лазеров, генерирующих излучение с малой расходимостью.
Можно выделить следующие основные группы разработок в области указанных диодных лазеров.
Существуют разновидности диодных лазеров, конструкция которых способствует улучшению (уменьшению) расходимости лазерного пучка, это
- лазеры с широкими и сверхширокими волноводами (см., например, статью на англ. яз. авторов A. Pietrzak, P. Crump, Н. Wenzel, G. Erbert, F. Bugge, and G. , «Combination of low-index quantum barrier and super large optical cavity designs for ultranarrow vertical far-fields from high-power broad-area lasers». - J. Sel. Top. Quant. Electron., 2011, v. 17, p. 1715);
- лазеры с туннельно-связанными пассивными волноводами (см., например, патент US №5289484, H01S 3/19, 1994 или статью Авруцкого И.А. и др. «Полупроводниковые лазеры на длину волны 980 нм с туннельно-связанными волноводами». - Квантовая Электроника, 1997, т. 24 (2), с. 123-126);
- лазеры с ассиметричной волноводной областью (см., например, патент US №4328469, H01S 3/19, 1982 или книгу Геловани В.А и др. «Высокомощные диодные лазеры нового типа». Москва, URSS: КомКнига, 2005, с. 24);
- лазеры с вытекающим волноводом (см., например, статью на англ. яз. авторов D.R. Scrifers, W. Streifer, R.D. Burnham. «Leaky wave room - temperature double heterostructure GaAs:GaAlAs diode laser». - Appl. Phys. Lett., 1976, v. 29, p. 23-25 или патент US №4063189, H01S 3/19, 1977).
Применение широких и сверхшироких волноводов позволяет получить достаточно высокую мощность диодных лазеров, однако увеличение ширины волновода ухудшает модовую селективность структуры и способствует появлению волноводных мод высокого порядка. Использование широких волноводов с общепринятыми высокими ограничительными слоями позволяет получить расходимость излучения до 20° в перпендикулярном направлении. При использовании барьеров со сниженным показателем преломления данный показатель можно улучшить до 15°. Одной из разновидностей диодных лазеров со сверхшироким волноводом являются диодные лазеры с волноводным эффектом квантовых ям (см., например статью Алешкина В.Я. и др. «Волноводный эффект квантовых ям в полупроводниковых лазерах». - Квантовая Электроника, 2013, т. 43 (5), с. 401-406). Волноводы таких лазеров обладают отличной модовой селективностью, однако из-за небольшого фактора оптического ограничения пороговые плотности тока в таких диодных лазерах велики.
Для решения задачи модовой селективности были предложены различные варианты лазерных структур - диодные лазеры с туннельно-связанными пассивными волноводами и с ассиметричной волноводной областью, включая сложные структуры с малыми шагами показателя преломления или тонкими слоями. В диодных лазерах такой конструкции можно добиться уменьшения расходимости излучения до 15°. Недостаток таких структур состоит в том, что распределение генерируемой моды в них очень чувствительно к небольшим изменениям параметров резонатора и требуют очень точной технологии. Даже при идеальном подборе параметров небольшие изменения показателя преломления из-за инжекции тока вызывают существенные ухудшения выходных характеристик диодного лазера.
В диодных лазерах с вытекающим волноводом (с вытеканием излучения в подложку) можно добиться уменьшения расходимости пучка вплоть до 1-2° (см. статью Алешкин В.Я. и др., «Полупроводниковый лазер с выводом излучения через подложку с улучшенными энергетическими характеристиками и сверхузкой диаграммой направленности». Квантовая электроника, т.40 (10), с. 855-857). Однако эти лазеры обладают большим пороговым током и заметным поглощением излучения в легированной подложке, что требует использования в них многоямной активной области для компенсации потерь.
В связи с отсутствием в уровне техники известного источника информации со сведениями о способе получения лазерного излучения с малой расходимостью (до 4°) без вытекания в подложку излучения и диодном лазере для его осуществления, близких к предлагаемым способу и диодному лазеру по их физико-техническому осуществлению, в настоящем описании предлагаемой группы изобретений выбрана форма их изложения без прототипа.
Технический результат от использования предлагаемой группы изобретений - разработка способа получения лазерного излучения с малой расходимостью и диодного лазера для его осуществления, обеспечивающих сочетание функциональных и конструктивных свойств диодного лазера, достаточных для расширения апертуры выхода лазерного излучения в направлении, нормальном к плоскости гетероструктуры, и одновременного обеспечения лазерного излучения параллельно указанной плоскости за счет преимущественной локализации генерируемой моды в активной области структуры между ограничительными слоями и частичного туннелирования моды в подложку на варьируемую глубину в результате подбора достаточно тонкого ограничительного слоя со стороны подложки при условии превышения эффективного показателя преломления генерируемой фундаментальной моды над показателем преломления подложки на величину не более 0,0011.
Кроме того, предлагаемая группа изобретений расширяет конструктивно-технологический арсенал эффективных современных полупроводниковых средств улучшения расходимости излучения в диодных лазерах.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ получения излучения с малой расходимостью в диодном лазере, включающий возбуждение носителей по крайней мере в одной квантовой яме в активной области, заключенной в гетероструктуре между ограничительными слоями, сформированными на подложке в виде p-i-n или p-n-перехода, и генерацию излучения при увеличенной апертуре его выхода, в котором для расширения упомянутой апертуры в направлении, нормальном к плоскости гетероструктуры, и излучения при этом параллельно указанной плоскости обеспечивают частичный выход генерируемой фундаментальной моды в подложку за счет подбора достаточно тонкого ограничительного слоя со стороны подложки и управления превышением эффективного показателя преломления генерируемой фундаментальной моды над показателем преломления подложки на величину, не превышающую 0,0011.
Для достижения изложенного выше технического результата предлагается диодный лазер, включающий гетероструктуру, содержащую буферный слой, активную область, образованную по крайней мере одной квантовой ямой и волноводными слоями и заключенную между ограничительными слоями, и контактный слой, и выращенную на подложке в виде p-i-n или р-n-перехода, характеризующийся тем, что ограничительный слой со стороны подложки имеет толщину величиной не более 150 нм.
В частных случаях осуществления предлагаемого диодного лазера в качестве материалов гетероструктуры используют соединения типа А3В5 и их твердые растворы.
На фиг. 1 схематически показана гетероструктура предлагаемого диодного лазера; на фиг. 2 показано вычисленное распределение величины электрического поля в фундаментальной моде; на фиг. 3 показана диаграмма направленности излучения диодных лазеров в плоскости, перпендикулярной р-n-переходу; на фиг. 4 приведена зависимость пиковой выходной оптической мощности излучения и КПД диодного лазера от тока.
Предлагаемый диодный лазер выполнен на основе полупроводниковой гетероструктуры (см. фиг. 1), которая содержит подложку S, буферный слой 1, первый (нижний, со стороны подложки S) ограничительный слой 2 и второй (верхний) ограничительный слой 6, соответствующие указанным ограничительным слоям двойные волноводные слои 3 и 5, квантовая яма (или набор ям) 4, образующая с волноводными слоями 3 и 5 активную область гетероструктуры, контактный слой 7.
Обязательными условиями генерации лазерного излучения диодного лазера являются наличие волновода, резонатора и создание инверсной заселенности носителей заряда в активной области (см. книгу А.Е. Жуков «Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур», СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2007. 304 с.). Из предлагаемой гетероструктуры изготавливаются диодные лазеры полосковой геометрии, на сколотые торцы которых наносятся интерференционные покрытия с высоким (порядка 99%) и малым (1-2%) коэффициентами отражения, таким образом формируется резонатор. Инверсная заселенность носителей в активной области создается с помощью как импульсной, так и непрерывной токовой накачки. Волновод формируется всеми слоями структуры, в том числе и подложкой, за счет превышения эффективного показателя преломления генерируемой моды над показателем преломления подложки.
Соответствие предлагаемого диодного лазера требованиям критерия «Промышленная применимость» подтверждается вынесенными из настоящего описания и прилагаемыми к нему лабораторными технологическими условиями его изготовления.
Функционирование рассматриваемого диодного лазера основано на реализации предлагаемого способа получения излучения с малой расходимостью, включающего возбуждение носителей по крайней мере в одной квантовой яме в активной области, заключенной в гетероструктуре между ограничительными слоями, сформированными на подложке в виде р-i-n или р-n-перехода, и генерацию излучения при увеличенной апертуре его выхода.
Уменьшение расходимости генерируемого диодным лазером излучения происходит при увеличении апертуры выхода излучения в перпендикулярном плоскости структуры направлении за счет частичного выхода генерируемой моды в подложку через тонкий (до 150 нм) ограничительный слой. При этом глубина туннелирования управляется параметром Δn, представляющим собой величину превышения эффективного показателя преломления генерируемой фундаментальной моды neff над показателем преломления подложки ns.
Модельное и экспериментальное обоснование эффекта рассматриваемого способа и диодного лазера для его осуществления, лежащего в основе заявляемого технического результата, заключается в следующем.
В приближении Δn<<1 (согласно Х. Кейси, М. Паниш, «Лазеры на гетероструктурах», Мир, Москва, 1981) для ширины диаграммы направленности излучения диодного лазера в плоскости, перпендикулярной p-i-n или p-n-переходу, справедливо следующее выражение:
,
где угол 
выражен в градусах. Формула (1) хорошо согласуется с экспериментальными значениями.
Для нахождения neff решались уравнения Максвелла для поля Ey(z) в ТЕ моде в следующем виде (для волны, распространяющейся вдоль x-направления, z-направление - направление роста структуры):
где λ - длина волны моды, с - скорость света в вакууме, n(z) - распределение показателя преломления в структуре. На границе слоев с разными показателями преломления непрерывны Ey(z) и 
. Граничными условиями для волноводных мод являются требования Ey(z,x)→0 при z→±∞.
На фиг. 2 показана вычисленная методом матриц переноса зависимость величины электрического поля в фундаментальной ТЕ0 моде от координаты роста структуры для трех значений разницы Δn показателя преломления возбуждаемой моды neff и показателя преломления подложки ns: Δn=neff-ns (0.0001 (a), 0.0006 (b) и 0.0011 (с)). Также на фиг. 2 изображена зависимость показателя преломления от координаты, как пример взята структура GaAs/AlGaAs с контактом Au. Фундаментальная мода локализуется между ограничительными слоями в волноводной части структуры, при этом толщина нижнего ограничительного слоя 2 на порядок меньше толщины верхнего 6, за счет чего часть моды проникает в подложку на глубину до 17,5 мкм. Верхний предел толщины ограничительного слоя 2 в 150 нм был выбран исходя из сильного затухания туннелирования моды в подложку при толщине слоя 2, превышающей указанную величину. Схема иллюстрирует, что чем меньше Δn, тем глубже проникает поле в подложку, а значит, тем больше выходная апертура в направлении, перпендикулярном плоскости гетероструктуры.
На фиг. 3 показаны диаграммы направленности излучения диодных лазеров в послепороговом режиме в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу для трех значений Δn: 0.0001 (а), 0.0006 (b) и 0.0011 (с), вычисленные теоретически, и измеренные экспериментально: треугольники - длина резонатора L=0.65 мм, кружки - L=0.8 мм, квадраты - L=1 мм. По диаграммам направленности диодных лазеров в плоскости, перпендикулярной слоям р-n-переходу, была выявлена тенденция к сужению пика обратно пропорционально длине резонатора: при токе накачки l=50 А (импульсный режим, fp=1.43 кГц, tp=180 нс) расходимость пучка (ширина пика диаграммы направленности на полувысоте) в среднем составила 15°, 9° и 4° для образцов с длинами резонатора 1 мм, 0.8 мм и 0.65 мм, соответственно. Как показывают фиг. 2 и 3, увеличение параметра Δn приводит к большей локализации генерируемой моды в активной области и уменьшению глубины туннелирования моды в подложку. Это приводит к уменьшению выходной апертуры, и, как следствие, увеличению расходимости пучка. Учитывая текущий уровень техники, целесообразно изготовление лазеров с расходимостью менее 15°, что соответствует величине параметра Δn менее 0.0011.
На фиг. 4 приведена экспериментально измеренная зависимость пиковой выходной оптической мощности излучения и КПД диодного лазера от тока (см., тезисы Байдусь Н.В. и др., «Импульсный InGaAs/GaAs/AlGaAs гетеролазер с увеличенной активной областью и узкой диаграммой направленности». Материалы XX Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2016 (14-18 марта), т. 2, с. 486-487). КПД определялся как отношение выходной оптической мощности к подводимой электрической мощности. Ниже порога КПД близок к нулю. Выше порогового тока КПД резко возрастает вследствие возникновения лазерного излучения. При больших токах электрическая мощность растет пропорционально квадрату тока, тогда как оптическая - пропорциональна первой степени тока, поэтому КПД падает с ростом тока в режиме больших мощностей. В ходе исследований выявлено, что наибольшая мощность излучения (более 35 Вт при 50 А) достигается у образцов с длиной резонатора 1 мм. Максимально достигнутое значение КПД составило 36% при токе накачки 20 А (импульсный режим, fp=1.43 кГц, tp=180 нс).
Оптимальное сочетание лазерных рабочих (функциональных) и конструктивных свойств предлагаемой группы изобретений заключается в достижении малой расходимости излучения диодного лазера в перпендикулярной p-n-переходу плоскости.
При этом предлагаемый диодный лазер избавлен как от необходимости роста достаточно толстых волноводных слоев, так и от значительного поглощения излучения в легированной подложке. Кроме того, такой диодный лазер позволяет достигнуть значительной выходной мощности в импульсном режиме работы - на уровне десятков Вт.
1. Способ получения излучения с малой расходимостью в диодном лазере, включающий возбуждение носителей по крайней мере в одной квантовой яме в активной области, заключенной в гетероструктуре между ограничительными слоями, сформированными на подложке в виде p-i-n или p-n-перехода, и генерацию излучения при увеличенной апертуре его выхода, характеризующийся тем, что для расширения упомянутой апертуры в направлении, нормальном к плоскости гетероструктуры, и выхода излучения при этом параллельно указанной плоскости обеспечивают частичный выход генерируемой фундаментальной моды в подложку за счет подбора достаточно тонкого ограничительного слоя со стороны подложки при условии превышения эффективного показателя преломления генерируемой фундаментальной моды над показателем преломления подложки на величину не более 0,0011.
2. Диодный лазер для реализации способа по п. 1, включающий гетероструктуру, содержащую буферный слой, активную область, образованную по крайней мере одной квантовой ямой и волноводными слоями и заключенную между ограничительными слоями, и контактный слой, и выращенную на подложке в виде p-i-n или p-n-перехода, характеризующийся тем, что ограничительный слой со стороны подложки имеет толщину не более 150 нм.
3. Диодный лазер по п. 2, отличающийся тем, гетероструктура выращена на основе соединений типа А3В5 и их твердых растворов.
