[go: up one dir, main page]

RU2443044C1 - Injection laser - Google Patents

Injection laser Download PDF

Info

Publication number
RU2443044C1
RU2443044C1 RU2010144643/28A RU2010144643A RU2443044C1 RU 2443044 C1 RU2443044 C1 RU 2443044C1 RU 2010144643/28 A RU2010144643/28 A RU 2010144643/28A RU 2010144643 A RU2010144643 A RU 2010144643A RU 2443044 C1 RU2443044 C1 RU 2443044C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
region
semiconductor material
injection laser
injection
optical
Prior art date
Application number
RU2010144643/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Олегович Слипченко (RU)
Сергей Олегович Слипченко
Илья Сергеевич Тарасов (RU)
Илья Сергеевич Тарасов
Никита Александрович Пихтин (RU)
Никита Александрович Пихтин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority to RU2010144643/28A priority Critical patent/RU2443044C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2443044C1 publication Critical patent/RU2443044C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: heterostructure based laser contains waveguide layer placed between wide-gap emitters of p and n-conductivity type that are simultaneously the limiting layers, active zone consisting of quantum-dimensional active layer, optical Fabry-Perot cavity and stripe ohmic contact under which the injection zone is located. In the waveguide layer outside the injection area there is the introduction of the area of semiconductor material with the width of energy gap that is less than the width of energy gap of active area. The factor of optical confinement of closed mode of abovementioned semiconductor material fits the ratio:
Figure 00000042
where:
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
- values of the compounds of optical confinement factor G for closed mode in the introduced area of semiconductor material with the width of energy gap that is less than the width of energy gap of active area, relative units; αNB - optical losses related to interband absorption of closed mode radiation in the introduced area of semiconductor material with the width of energy gap that is less than the width of energy gap of active area, cm-1.
EFFECT: increase of output optic power in both continuous and pulse current injection mode, as well as increased time stability of output active power.
13 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам.The present invention relates to quantum electronic technology, and more specifically to high-power semiconductor lasers.

Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе максимальные КПД и мощность излучения. Разработка новых подходов к конструированию мощных полупроводниковых лазеров позволила существенно улучшить оптические параметры гетероструктур. Для современных полупроводниковых лазеров внутренние оптические потери составляют величину менее 1 см-1 при внутреннем квантовом выходе, близком к 100%. Высокое оптическое совершенство лазерных гетероструктур и низкие оптические потери позволяют достигать непрерывных и импульсных уровней возбуждения несколько десятков ампер. Следствием таких изменений характеристик лазерных гетероструктур и уровней возбуждения является появление новых эффектов, ряд из которых ведет к насыщению ватт-амперной характеристики и падению максимальной выходной мощности излучения.Powerful semiconductor lasers are widely used in many fields of science and technology, for example, they are used as a source of optical radiation for pumping fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers. This requires a semiconductor laser to combine maximum efficiency and radiation power. The development of new approaches to the design of high-power semiconductor lasers has significantly improved the optical parameters of heterostructures. For modern semiconductor lasers, the internal optical loss is less than 1 cm -1 with an internal quantum yield close to 100%. The high optical perfection of laser heterostructures and low optical losses make it possible to achieve continuous and pulsed excitation levels of several tens of amperes. The consequence of such changes in the characteristics of laser heterostructures and excitation levels is the emergence of new effects, a number of which lead to saturation of the watt-ampere characteristic and a decrease in the maximum output radiation power.

Известен инжекционный лазер (патент US 7332744, МПК H01L 29/24, опубликован 19.02.2008), в котором слой, ограничивающий ток, включает неокисленную область на основе AlAs или аналогичного материала, подходящего для создания области токовой инжекции в активный слой, и окисленную область, изготовленную на основе оксида алюминия, соответствующую области, в которой нет инжекционного тока. Окисленная область изготовлена на основе неокисленного AlAs или похожих материалов, часть которого окисляется при температуре от 240°С до 375°С. Толщину окисленной области предпочтительнее выбирают от 10 до 1000 нм. Ширина одной стороны окисленной области равна или больше ширины неокисленной области. Расстояние между ограничивающими ток слоями и активным слоем составляет 50 нм или больше или 500 нм или меньше и более предпочтительно 180 нм или больше.An injection laser is known (patent US 7332744, IPC H01L 29/24, published February 19, 2008), in which the current-limiting layer includes an unoxidized region based on AlAs or a similar material suitable for creating a current injection region in the active layer and an oxidized region made on the basis of aluminum oxide, corresponding to the region in which there is no injection current. The oxidized region is made on the basis of unoxidized AlAs or similar materials, part of which is oxidized at temperatures from 240 ° C to 375 ° C. The thickness of the oxidized region is preferably chosen from 10 to 1000 nm. The width of one side of the oxidized region is equal to or greater than the width of the non-oxidized region. The distance between the current-limiting layers and the active layer is 50 nm or more or 500 nm or less, and more preferably 180 nm or more.

К недостатку предлагаемого инжекционного лазера относится отсутствие технических решений для подавления генерации замкнутой моды. В результате выходная оптическая мощность при лазерной генерации не достигает максимально возможных значений.The disadvantage of the proposed injection laser is the lack of technical solutions to suppress the generation of a closed mode. As a result, the output optical power during laser generation does not reach the maximum possible values.

Известен инжекционный лазер (см. патент RU №2230410, МПК H01S 5/042, опубликован 10.06.2004), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по меньшей мере, часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области. По меньшей мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.An injection laser is known (see patent RU No. 2230410, IPC H01S 5/042, published June 10, 2004), which includes a laser heterostructure with waveguide layers, in one of the limiting layers of which there are relief structures, at least part of the mesa strip and passive regions with bases near the boundary of the boundary layer closest to the active region. At least a portion of the base of each passive region is a relief structure adjacent to the messtrip, having in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the resonator a length exceeding the distance providing scattering of radiation propagating in said direction perpendicular to the longitudinal axis of the resonator. Each relief structure has an amplitude of at least 0.1 μm and is distant from the mentioned boundary of the bounding layer by a distance not exceeding 0.5 μm.

Известный лазер имеет увеличенную выходную мощность излучения, суженную и улучшенную пространственную диаграмму выходного излучения в плоскости p-n-перехода до одномодовой, улучшенный спектр излучения до одночастотного, а также стабильные параметры ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизации величины бокового оптического ограничения.The known laser has an increased output radiation power, a narrowed and improved spatial diagram of the output radiation in the p-n junction plane to a single-mode, an improved emission spectrum to a single-frequency, as well as stable parameters due to an increase in the absorption efficiency of undesirable high-order and ring modes, and optimization of the lateral optical limitation.

Однако известный инжекционный лазер не решает задачи увеличения оптической мощности, так как лазерные гетероструктуры с низкими внутренними оптическими потерями характеризуются близкой к 100% локализацией поля лазерной моды в волноводных слоях. В этом случае любые периодические структуры, сформированные в любых ограничительных слоях, становятся неэффективными, т.к. поле лазерной моды с ними не перекрывается.However, the well-known injection laser does not solve the problem of increasing the optical power, since laser heterostructures with low internal optical losses are characterized by a localization of the laser mode field close to 100% in the waveguide layers. In this case, any periodic structures formed in any restrictive layers become ineffective, because the laser mode field does not overlap with them.

Известен инжекционный лазер (см. №2230411, МПК H01S 5/034, опубликован 10.06.2004), включающий гетероструктуру, содержащую активный слой, по меньшей мере волноводные слои, ограничительные слои, размещенные с двух сторон от него, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную со стороны p-типа гетероструктуры, с основанием, расположенным в ограничительном слое, размещенном с той же стороны активного слоя. Ограничительный слой со стороны p-типа гетероструктуры сформирован по меньшей мере из двух подслоев, имеющих один и тот же состав. Ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, или не легирован, или имеет концентрацию p-типа не более 3·1017 см-3. Граничащий с первым последующий ограничительный подслой имеет концентрацию p-типа более 3·1017 см-3, мезаполоска гребневидного волновода сформирована двухъярусной. Первый ярус соосно расположен на дополнительно введенном в ограничительный первый подслой втором ярусе мезаполоски, имеющем ширину, превышающую ширину первого яруса мезаполоски в 1,5-4 раза.Known injection laser (see No. 2230411, IPC H01S 5/034, published 06/10/2004), comprising a heterostructure containing an active layer, at least waveguide layers, boundary layers placed on both sides of it, as well as a mestripe of comb-like waveguide, formed from the p-type side of the heterostructure, with the base located in the bounding layer placed on the same side of the active layer. The boundary layer on the p-type side of the heterostructure is formed of at least two sublayers having the same composition. The restrictive first sublayer adjacent to the waveguide layer is either not doped or has a p-type concentration of not more than 3 · 10 17 cm -3 . The next limiting sublayer adjacent to the first one has a p-type concentration of more than 3 · 10 17 cm -3 , the messtrip of the crest-shaped waveguide is formed in two layers. The first tier is coaxially located on the second tier of the mesa strip additionally inserted into the restrictive first sublayer, having a width exceeding the width of the first tier of the mesa strip by 1.5-4 times.

В известном лазере обеспечено снижение последовательного сопротивления лазера при минимальном профиле растекания, а также стабилизация одномодового режима генерации.In the known laser, a decrease in the series resistance of the laser is ensured with a minimum spreading profile, as well as stabilization of the single-mode lasing mode.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями, боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.A disadvantage of the known laser is the presence of optical communication with areas lateral relative to the mesa strip. The absence of additional technical solutions that increase the internal optical loss in the side regions leads to the fulfillment of the threshold conditions for the generation of closed modes and a decrease in the output optical power.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU №2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- 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 соотношениюThe closest in technical essence and in the aggregate of essential features is an injection laser (see patent RU No. 2259620, IPC H01S 5/32, published August 27, 2005). The injection laser prototype contains a separate confinement heterostructure, including a multimode waveguide, the confining layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
are the optical confinement factors for the active region of the zero mode and mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively. The injection laser also contains reflectors, optical faces, ohmic contacts and an optical resonator. The active region is placed in an additional layer, the refractive index of which is greater than the refractive index of the waveguide, and the thickness and location in the waveguide are determined from the condition for the above relation to be fulfilled, and the distances from the active region to p- and n-emitters do not exceed the diffusion lengths of holes and electrons in the waveguide, respectively .

Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения.The known injection laser has a small divergence of radiation while maintaining a high value of efficiency and output power of the radiation.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями, боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие в инжекционном лазере-прототипе дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.A disadvantage of the known laser is the presence of optical communication with areas lateral relative to the mesa strip. The absence of additional technical solutions in the injection laser prototype that increase the internal optical loss in the side regions leads to the fulfillment of the threshold conditions for the generation of closed modes and a decrease in the output optical power.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, который бы обеспечивал увеличение выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, повышение временной стабильности выходной оптической мощности.The objective of the proposed technical solution was the development of such an injection laser design that would provide an increase in the output optical power in both continuous and pulsed current pumping modes, and increase the temporal stability of the output optical power.

Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер на основе гетероструктуры включает волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. По меньшей мере, в волноводный слой вне области инжекции введена по меньшей мере одна область полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области. Фактор оптического ограничения ЗМ области упомянутого полупроводникового материала удовлетворяет соотношению:The problem is solved in that the injection laser based on the heterostructure includes a waveguide layer enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry-Perot resonator and strip ohmic contact, under which the injection region is located. At least one region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region is introduced into the waveguide layer outside the injection region. The optical limitation factor of the ZM region of said semiconductor material satisfies the relation:

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГX для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн. ед.;Where
Figure 00000005
- the value of the component of the optical limiting factor G X for ZM in the introduced region of the semiconductor material with the band gap less than the band gap of the active region, rel. units;

Figure 00000006
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн. ед.;
Figure 00000006
- the value of the component of the optical limiting factor G Y for ZM in the introduced region of the semiconductor material with the band gap less than the band gap of the active region, rel. units;

Figure 00000007
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГZ для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн. ед.;
Figure 00000007
- the value of the component of the optical limiting factor G Z for ZM in the introduced region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region, rel. units;

αNB - оптические потери, связанные с межзонным поглощением излучения ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, см-1.α NB is the optical loss associated with interband absorption of ZM radiation in the introduced region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region, cm -1 .

Расстояние между ближайшими границами области упомянутого полупроводникового материала и области инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ширина области полупроводникового материала может быть не меньше 10 мкм.The distance between the nearest boundaries of the region of said semiconductor material and the injection region can be at least 10 μm, and the width of the region of the semiconductor material can be at least 10 μm.

Ширина запрещенной зоны области упомянутого полупроводникового материала может быть по меньшей мере на 20 мэВ меньше энергии фотонов на линии генерации инжекционного лазера.The band gap of the region of said semiconductor material may be at least 20 meV less than the photon energy on the generation line of the injection laser.

Область упомянутого полупроводникового материала может быть выполнена в виде по меньшей мере одного квантово-размерного слоя или в виде по меньшей мере двух квантово-размерных слоев с отличающейся шириной запрещенной зоны.The region of said semiconductor material may be made in the form of at least one quantum-dimensional layer or in the form of at least two quantum-dimensional layers with a different band gap.

Область упомянутого полупроводникового материала может быть выполнена в виде по меньшей мере двух квантово-размерных слоев с отличающейся шириной запрещенной зоны, разделенных слоем с большей шириной запрещенной зоны.The region of said semiconductor material may be made in the form of at least two quantum-dimensional layers with different forbidden gap widths, separated by a layer with a larger forbidden band width.

В каждую боковую часть инжекционного лазера может быть введено по меньшей мере по одной области упомянутого полупроводникового материала.At least one region of said semiconductor material may be introduced into each side of the injection laser.

Продольный размер области упомянутого полупроводникового материала может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.The longitudinal size of the region of said semiconductor material may be less than the length of the optical Fabry-Perot resonator.

Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов A3B5. гетероструктура.The heterostructure of the injection laser can be performed in the A 3 B 5 solid solution system. heterostructure.

По меньшей мере одна граница области упомянутого полупроводникового материала может быть не параллельна боковым естественносколотым граням, формирующим боковые ограничительные поверхности.At least one boundary of the region of said semiconductor material may not be parallel to the laterally naturally cleaved faces forming the lateral bounding surfaces.

Область упомянутого полупроводникового материала в инжекционном лазере может быть выполнена легированной примесью n-типа проводимости, выбранной из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацией.The region of said semiconductor material in the injection laser may be made of a doped n-type impurity selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof.

Область упомянутого полупроводникового материала в инжекционном лазере может быть выполнена легированной примесью p-типа проводимости, выбранной из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацией.The region of said semiconductor material in the injection laser may be made of a doped p-type impurity selected from the group: C, S, Mg, Be, Zn, or a combination thereof.

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ.Improving the output characteristics of the inventive injection laser is provided by suppressing the generation of ZM.

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, гдеThe inventive injection laser is illustrated by drawings, where

на фиг.1 изображен известный инжекционный лазер с полосковым омическим контактом;figure 1 shows a well-known injection laser with a strip ohmic contact;

на фиг.2 показан заявляемый инжекционный лазер, в боковую часть которого введена область полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области;figure 2 shows the inventive injection laser, in the lateral part of which is introduced a region of a semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region;

на фиг.3 приведены качественные зависимости материального усиления в активной полоске (кривая 1) и потерь в пассивной области (кривая 2) от длины волны (λFP и λСМ - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ,

Figure 00000008
и
Figure 00000009
- материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ,
Figure 00000010
и
Figure 00000011
- потери на межзонное поглощение в пассивных областях соответственно для ФПМ и ЗМ);figure 3 shows the qualitative dependence of the material gain in the active strip (curve 1) and losses in the passive region (curve 2) on the wavelength (λ FP and λ СМ are the generation wavelengths, respectively, of the FPM and ZM,
Figure 00000008
and
Figure 00000009
- material gain, respectively, FPM and ZM,
Figure 00000010
and
Figure 00000011
- losses due to interband absorption in the passive regions for the MTF and ZM, respectively);

на фиг.4 показана зависимость выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от тока накачки для известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера (кривая 7 - при непрерывном токе накачки, кривая 8 - при импульсном токе накачки для известного лазера; кривая 9 - при непрерывном токе накачки, кривая 10 - при импульсном токе накачки для заявляемого инжекционного лазера).figure 4 shows the dependence of the output optical power exiting through the face coated with an antireflection coating, on the pump current for a known injection laser and the inventive injection laser (curve 7 for continuous pump current, curve 8 for pulsed pump current for a known laser; curve 9 - with a continuous pump current, curve 10 - with a pulsed pump current for the inventive injection laser).

Известный инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественносколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область 9 усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями), боковые естественносколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12.The known injection laser (see Fig. 1) contains a waveguide layer 1, sandwiched between a wide-band p-type emitter 2 and a wide-band n-type emitter 3, an active region 4 consisting of at least one quantum-well active layer , an optical Fabry-Perot resonator formed by a naturally cleaved facet 5 with an antireflection coating and a facet 6 with a reflective coating, a strip ohmic contact 7, under which there is an injection region 8, including an amplification region 9 (shaded ana inclined solid lines), estestvennoskolotye side faces forming the lateral limiting surface 10, substrate 11, the side portions of the injection laser (shaded inclined broken lines) 12.

Заявляемый инжекционный лазер (см. фиг.2) содержит волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественносколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область 9 усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями), боковые естественносколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12, область 13 полупроводникового материала (заштрихована прямыми вертикальными линиями) с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области 4.The inventive injection laser (see figure 2) contains a waveguide layer 1, sandwiched between a wide-gap p-type emitter 2 and a wide-band n-type emitter 3, an active region 4 consisting of at least one quantum-well active layer , an optical Fabry-Perot resonator formed by a naturally chipped face 5 with an antireflection coating and a face 6 with a reflective coating, a strip ohmic contact 7, under which there is an injection region 8, including an amplification region 9 (shaded solid inclined lines), naturally cracked lateral faces forming lateral boundary surfaces 10, substrate 11, injection laser side parts (hatched by oblique broken lines) 12, semiconductor material region 13 (shaded by straight vertical lines) with a band gap smaller than the band gap active area 4.

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ. Для инжекционных лазеров характерна модовая структура излучения, которая рассчитывается с помощью волнового уравнения [Х.Кейси, М.Паниш. - Лазеры на гетероструктурах. - М.: Мир, 1981; L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Можно выделить два типа модовых структур. Первый - это моды Фабри-Перо резонатора (ФПМ). Для таких мод характерно распространение излучения вдоль оптической оси резонатора под углами к нормали относительно зеркал резонатора (естественносколотой грани 5 с нанесенным просветляющим покрытием и грани 6 с нанесенным отражающим покрытием), меньшими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ФПМ характерны отличные от нуля потери на выход излучения из резонатора. Именно это излучение является полезным при использовании инжекционных лазеров как источников оптического излучения. Структуры мод Фабри-Перо резонатора определяют волноводы, сформированные волноводным и эмиттерными (ограничительными) слоями (1, 2, 3) гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7 и зеркалами (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Второй тип модовых структур - это ЗМ. Для таких мод характерно распространение излучения под углами к нормалям относительно зеркал (5, 6) резонатора и боковых ограничительных поверхностей 10, большими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. Структуры ЗМ определяют волноводы, сформированные волноводным и эмиттерными (ограничительными) слоями (1, 2, 3) гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7, зеркалами (5, 6) Фабри-Перо резонатора и боковыми ограничительными поверхностями 10. Выполнение пороговых условий генерации для ФПМ или ЗМ определяет режим работы инжекционного лазера. Когда порог генерации выполнен только для ФПМ, достигается максимальная полезная выходная эффективность и соответственно выходная оптическая мощность растет. При выполнении пороговых условий генерации для ЗМ часть лазерного излучения не выходит наружу и остается внутри инжекционного лазера. Как следствие, происходит частичное или полное падение выходной оптической мощности и снижение эффективности. В инжекционном лазере порог генерации лазерных мод достигается при выполнении двух условий: равенство модального усиления суммарным оптическим потерям и наличие обратной связи. Первое условие выполняется за счет тока инжекции, протекающего через полосковый омический контакт 7 и создающего инверсную заселенность носителями заряда активной области 4 под полосковым омическим контактом 7. Таким образом, в активной области 4 под полосковым омическим контактом 7 созданы условия для усиления оптического излучения, и эта часть активной области 4 называется областью 9 усиления. Для боковых частей активной области 4 относительно полоскового омического контакта 7 условия для усиления не созданы, т.к. они электрически изолированы от тока инжекции. Однако остается оптическая связь между боковыми частями активной области 4 и областью 9 усиления через общий волноводный слой 1. Второе условие для инжекционных лазеров выполняется за счет резонатора, сформированного естественно сколотыми гранями. Естественно сколотые грани формируют два типа резонаторов: резонатор Фабри-Перо образован двумя зеркалами 5, 6 - параллельно сколотыми гранями, резонатор ЗМ образован четырьмя сколотыми гранями (гранями-зеркалами 5, 6 и ортогональными им гранями - боковыми ограничительными поверхностями 10), ограничивающими инжекционный лазер и получающимися при изготовлении инжекционного лазера путем раскалывания гетероструктуры. В общем виде пороговое условие генерации можно записать как [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:Improving the output characteristics of the inventive injection laser is provided by suppressing the generation of ZM. Injection lasers are characterized by a mode radiation structure, which is calculated using the wave equation [H. Casey, M. Panish. - Lasers on heterostructures. - M .: Mir, 1981; L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Two types of mod structures can be distinguished. The first is the Fabry-Perot resonator (FPM) mode. Such modes are characterized by the propagation of radiation along the optical axis of the resonator at angles to the normal to the resonator mirrors (naturally cleaved face 5 with an antireflection coating and face 6 with a reflective coating), smaller than the angle of total internal reflection. As a result, the PMF is characterized by nonzero losses on the output of radiation from the resonator. It is this radiation that is useful when using injection lasers as sources of optical radiation. The structures of the Fabry-Perot resonator modes are determined by the waveguides formed by the waveguide and emitter (restrictive) layers of the heterostructure (1, 2, 3), the ohmic strip contact 7, and the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6). The second type of mod structure is ZM. Such modes are characterized by the propagation of radiation at angles to the normals relative to the mirrors (5, 6) of the resonator and the lateral limiting surfaces 10, larger than the angle of total internal reflection. As a result, ZM is characterized by zero losses in the output of radiation from the resonator. ZM structures determine the waveguides formed by the waveguide and emitter (restrictive) layers (1, 2, 3) of the heterostructure, the ohmic strip contact 7, the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6), and the lateral bounding surfaces 10. The threshold generation conditions for the FPM or ZM determines the operation mode of the injection laser. When the generation threshold is fulfilled only for the FPM, the maximum useful output efficiency is achieved and, accordingly, the output optical power increases. When the threshold generation conditions for the ZM are fulfilled, part of the laser radiation does not come out and remains inside the injection laser. As a result, there is a partial or complete drop in the output optical power and a decrease in efficiency. In an injection laser, the threshold for laser mode generation is achieved when two conditions are satisfied: the modal gain is equal to the total optical loss and feedback is present. The first condition is satisfied due to the injection current flowing through the strip ohmic contact 7 and creating an inverse population by charge carriers of the active region 4 under the strip ohmic contact 7. Thus, in the active region 4 under the strip ohmic contact 7, conditions are created for amplification of optical radiation, and this part of the active region 4 is called the amplification region 9. For the lateral parts of the active region 4 relative to the strip ohmic contact 7, the conditions for amplification are not created, because they are electrically isolated from the injection current. However, there remains an optical connection between the side parts of the active region 4 and the amplification region 9 through a common waveguide layer 1. The second condition for injection lasers is satisfied by a resonator formed by naturally cleaved faces. Naturally cleaved faces form two types of resonators: the Fabry-Perot resonator is formed by two mirrors 5, 6 — parallelly cleaved faces, the ZM resonator is formed by four cleaved faces (mirrored faces 5, 6 and their orthogonal faces — lateral limiting surfaces 10), which limit the injection laser and obtained in the manufacture of an injection laser by splitting a heterostructure. In general terms, the threshold generation condition can be written as [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:

Figure 00000012
Figure 00000012

где Gmod - модальное усиление, созданное инжектированными в активную область 4 носителями заряда, αi - внутренние оптические потери в области 9 усиления, и αout - потери, связанные с выходом лазерного излучения из резонатора. Модальное усиление выражается через материальное усиление (gmat), рассчитываемое через концентрацию инжектированных в активную область 4 носителей заряда [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)], и фактор оптического ограничения моды (Г) в области 9 усиления:where G mod is the modal gain created by the charge carriers injected into the active region 4, α i are the internal optical losses in the gain region 9, and α out are the losses associated with the exit of laser radiation from the cavity. Modal gain is expressed in terms of material gain (g mat ), calculated through the concentration of 4 charge carriers injected into the active region [LAColdren, SWCorzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (NY, John Wiley & Sons, 1995)], and the optical mode confinement factor (G) in gain region 9:

Figure 00000013
Figure 00000013

В общем виде фактор оптического ограничения в области 9 усиления определяет долю энергии лазерной моды, приходящуюся на эту область, и выражается через электрическое поле моды инжекционного лазера E(x,y,z) [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley& Sons, 1995)]In general, the optical confinement factor in the amplification region 9 determines the fraction of the laser mode energy attributable to this region and is expressed through the electric field of the injection laser mode E (x, y, z) [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]

Figure 00000014
Figure 00000014

где Vg - объем области 9 усиления, Vm - объем инжекционного лазера. Поле моды описывается в виде произведения [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]where V g is the volume of the amplification region 9, Vm is the volume of the injection laser. The fashion field is described as a work [LAColdren, SWCorzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (NY, John Wiley & Sons, 1995)]

Figure 00000015
Figure 00000015

Фактор оптического ограничения моды в области 9 усиления инжекционного лазера выражается через три независимые составляющие фактора оптического ограничения моды в области 9 усиления ГX, ГY и ГZ (см. фиг.1).The optical mode confinement factor in the gain region 9 of the injection laser is expressed in terms of three independent components of the optical mode confinement factor in the gain region 9 X , G Y and G Z (see FIG. 1).

Figure 00000016
Figure 00000016

В инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7 ширина полоскового контакта (w) превышает длину волны генерации, а зеркала (5, 6) Фабри-Перо резонатора ограничивают область 9 усиления в направлении, параллельном оси резонатора. Это позволяет полю ФПМ быть полностью локализованным в области, ограниченной размерами полоскового омического контакта 7 и длинной резонатора. Это значит для ФПМ ГY=1 и ГZ=1. Электромагнитные волны ФПМ распространяются вдоль оси Фабри-Перо резонатора под углами, меньшими, чем угол полного внутреннего отражения относительно нормали к зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора, и характеризуются потерями на выход излучения из резонатора αout. Составляющая фактора оптического ограничения ГX одинакова для ЗМ и ФПМ и зависит от конструкции лазерной гетероструктуры: состава и толщины волноводного и ограничительных слоев (1, 2, 3), а также толщины активной области 4. Для лазерных гетероструктур ГX является фактором оптического ограничения моды поперечного волновода в активной области 4 - ГQW. Тогда пороговое условие генерации (1) для ФПМ может быть переписано какIn an injection laser with a strip ohmic contact 7, the width of the strip contact (w) exceeds the generation wavelength, and the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6) limit the gain region 9 in the direction parallel to the cavity axis. This allows the PPM field to be completely localized in the region limited by the dimensions of the strip ohmic contact 7 and the long resonator. This means for the FPM Г Y = 1 and Г Z = 1. FPM electromagnetic waves propagate along the Fabry-Perot axis of the resonator at angles smaller than the angle of total internal reflection relative to the normal to the Fabry-Perot mirror mirrors (5, 6) and are characterized by the outgoing radiation loss α out . The component of the optical confinement factor Г X is the same for ZM and FPM and depends on the design of the laser heterostructure: the composition and thickness of the waveguide and bounding layers (1, 2, 3), as well as the thickness of the active region 4. For laser heterostructures, Г X is a factor of the optical mode confinement transverse waveguide in the active region 4 - G QW . Then the threshold generation condition (1) for the MTF can be rewritten as

Figure 00000017
Figure 00000017

где

Figure 00000018
- материальное усиление на длине волны генерации ФПМ;Where
Figure 00000018
- material gain at the FPM generation wavelength;

Figure 00000019
- потери на выход ФПМ;
Figure 00000019
- loss on the exit of the FPM;

αi - внутренние оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях заряда.α i - internal optical loss associated with absorption on free charge carriers.

Чтобы определить пороговое условие для ЗМ, необходимо оценить условия ее распространения в инжекционном лазере. В отличие от ФПМ, электромагнитные волны ЗМ распространяются под углами, большими, чем угол полного внутреннего отражения, относительно нормали к боковым ограничительным поверхностям 10 и зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. В [С.О.Слипченко, Д.А.Винокуров, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, А.Д.Бондарев, И.С.Тарасов. - ФТП, 43, 1409 (2009)] экспериментально показано, что в отличие от ФПМ, ЗМ захватывает весь объем инжекционного лазера, включая боковые части относительно полоскового контакта 7. На фиг.3 приведены качественные зависимости от длины волны материального усиления в области 9 усиления под полосковым омическим контактом 7 (gmat) и от оптических потерь (αBGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта 7. ФПМ с максимальным значением материального усиления

Figure 00000018
, на длине волны генерации λFP соответствует достаточно высокое значение потерь на межзонное поглощение в пассивных областях
Figure 00000020
. Как следствие, область распространения ФПМ ограничена только областью под полосковым омическим контактом 7. Из фиг.3 видно, что смещение в длинноволновую область спектра относительно длины волны генерации ФПМ одновременно ведет к снижению материального усиления в активной области 4 и падению значения оптических потерь (αBGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта 7. Таким образом, вследствие нулевых потерь на выход для ЗМ даже в условиях меньшего значения материального усиления
Figure 00000021
на длине волны генерации для ЗМ может быть достигнут порог генерации. Рассмотрим пороговые условия генерации для ЗМ в инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7. Так как ЗМ захватывает весь объем волноводного слоя 1 инжекционного лазера, то фактор оптического ограничения ЗМ для области 9 усиления (Гсм) выглядит следующим образомTo determine the threshold condition for the ZM, it is necessary to evaluate the conditions of its propagation in the injection laser. Unlike the FPM, the electromagnetic waves of the SM propagate at angles greater than the angle of total internal reflection relative to the normal to the lateral limiting surfaces 10 and the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6). ZM is characterized by zero loss on the output of radiation from the resonator. In [S.O. Slipchenko, D. A. Vinokurov, A. V. Lyutetskiy, N. A. Pikhtin, A. L. Stankevich, N. V. Fetisova, A. D. Bondarev, I. S. Tarasov. - FTP, 43, 1409 (2009)] it was experimentally shown that, unlike the FPM, the ZM captures the entire volume of the injection laser, including the side parts relative to the strip contact 7. Figure 3 shows the qualitative dependences on the wavelength of the material gain in the amplification region 9 under the strip ohmic contact 7 (g mat ) and from optical losses (α BGL ) in the side regions relative to the strip ohmic contact 7. FPM with the maximum value of material gain
Figure 00000018
, at the generation wavelength λ FP there corresponds a rather high value of the loss due to interband absorption in the passive regions
Figure 00000020
. As a result, the region of propagation of the FMP is limited only by the region under the strip ohmic contact 7. From Fig. 3 it can be seen that a shift to the long-wavelength region of the spectrum relative to the wavelength of the generation of the PCM simultaneously leads to a decrease in material gain in the active region 4 and a decrease in the value of optical losses (α BGL ) in the lateral regions relative to the strip ohmic contact 7. Thus, due to zero output losses for the SM even under conditions of a lower value of material gain
Figure 00000021
at the generation wavelength for ZM, the generation threshold can be reached. Consider the threshold generation conditions for the ZM in the injection laser with a strip ohmic contact 7. Since the ZM captures the entire volume of the waveguide layer 1 of the injection laser, the optical limitation factor of the ZM for the amplification region 9 (G cm ) is as follows

Figure 00000022
Figure 00000022

где

Figure 00000023
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области 9 усиления для ЗМ. Как показано выше (и подтверждено экспериментально), длина λсм волны генерации ЗМ смещена в низкоэнергетическую область спектра относительно ФПМ. В результате материальное усиление ЗМ
Figure 00000024
может быть представлено как:Where
Figure 00000023
- the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region 9 for ZM. As shown above (and confirmed experimentally), the length λ cm of the ZM generation wave is shifted to the low-energy region of the spectrum relative to the MTF. As a result, material amplification of ZM
Figure 00000024
can be represented as:

Figure 00000025
Figure 00000025

где Δ - расстройка материального усиления, определяемая как разность между материальными усилениями ФПМ и ЗМ. Оптические потери для ЗМ αсм можно выразить как:where Δ is the detuning of material amplification, defined as the difference between the material amplifications of the FPM and ZM. Optical loss for 3M α cm can be expressed as:

Figure 00000026
Figure 00000026

величина Δα учитывает потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях, межзонным поглощением и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта 7. Так как оптические потери на выход излучения для ЗМ равны нулю, то в выражении (9) они не учитываются.the quantity Δα takes into account losses associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities, interband absorption, and absorption by free charge carriers in the side parts of the injection laser relative to the strip ohmic contact 7. Since the optical loss to the radiation output for ZM is zero, then in expression (9) they are not taken into account.

На основании вышесказанного пороговые условия для ЗМ примут вид:Based on the foregoing, the threshold conditions for ZM will take the form:

Figure 00000027
Figure 00000027

Принимая значение Δ=0, с учетом (3) получаем неравенство, удовлетворение которого подавляет генерацию ЗМ в инжекционном лазере:Taking the value Δ = 0, taking into account (3), we obtain an inequality, the satisfaction of which suppresses the generation of ZM in the injection laser:

Figure 00000028
Figure 00000028

Созданная по меньшей мере в волноводном слое 1 вне области 8 инжекции по меньшей мере одна область 13 полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, позволяет увеличить оптические потери для ЗМ на величину

Figure 00000029
. Увеличение потерь для ЗМ до величин, при которых выполняется указанное неравенство, позволяет подавить генерацию ЗМ в заявляемом инжекционном лазере. Требуемая для подавления генерации ЗМ величина внутренних оптических потерь в созданной области 13 подбирается путем выбора ее размеров и положения, решая волновое уравнение, что определяет значение
Figure 00000030
, а также выбора материала и его ширины запрещенной зоны, что определяет значение αNB.At least one region 13 of semiconductor material created with at least one region 13 of semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region created at least in the waveguide layer 1 outside the injection region 8 can increase the optical loss for ZM by
Figure 00000029
. The increase in losses for ZM to values at which the specified inequality is satisfied, allows to suppress the generation of ZM in the inventive injection laser. The amount of internal optical loss required to suppress the generation of ZM in the created region 13 is selected by choosing its size and position, solving the wave equation, which determines the value
Figure 00000030
, as well as the choice of material and its band gap, which determines the value of α NB .

Заявляемый инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый контакт 7 предлагаемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения, через естественно сколотую грань - зеркало 5 с нанесенным просветляющим покрытием - выходит лазерное излучение Фабри-Перо моды. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока. Спонтанное излучение на линии генерации замкнутой моды поглощается в области 13 полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области 4 (см. фиг.2). Это подавляет обратную связь для замкнутой моды. В результате сохраняется генерация только мод Фабри-Перо резонатора, что ведет к сохранению линейности зависимости выходной мощности от тока накачки и увеличения выходной оптической мощности.The inventive injection laser operates as follows. An electric current is passed through the strip contact 7 of the proposed injection laser (see FIG. 2) in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operating mode corresponds to the forward bias of the pn junction. When the current passed through the injection laser is exceeded by a threshold value through a naturally chipped face — mirror 5 with an antireflection coating — the Fabry-Perot mode laser radiation comes out. The output radiation power, in addition to the structure parameters, depends on the magnitude of the current transmitted through the laser heterostructure. Spontaneous emission on the closed-mode generation line is absorbed in the region 13 of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region 4 (see FIG. 2). This suppresses closed loop feedback. As a result, only the Fabry-Perot resonator modes are retained, which preserves the linearity of the dependence of the output power on the pump current and an increase in the output optical power.

Пример. Были проведены сравнительные испытания известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера. Был изготовлен известный инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающей волноводный слой Al0.3Ga0.7As толщиной 1,6 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al0.5Ga0.5As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al0.5Ga0.5As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя Al0.08Ga0.92As толщиной 12 нм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 2 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5%, и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной 100 мкм, расположенный в центре между боковыми естественно сколотыми гранями, расстояние между которыми 500 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости. Для известного инжекционного лазера значения внутренних оптических потерь и потерь на выход излучения для мод Фабри-Перо резонатора составили 1 см-1 и 7.6 см-1, соответственно. Через полосковый контакт известного инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению p-n перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для известного инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.4 (кривая 7), для импульсного тока накачки показана на фиг.4 (кривая 8). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 5 Вт, при импульсном токе накачки 59,5 Вт.Example. Comparative tests have been conducted of the known injection laser and the inventive injection laser. Injection was made known laser based heterostructure waveguide layer consisting of Al 0.3 Ga 0.7 As 1.6 micron sandwiched between a wide-emitter Al 0.5 Ga 0.5 As p-type conductivity and a thickness of 1.5 microns wide-emitter Al 0.5 Ga 0.5 As n a conductivity type with a thickness of 1.5 μm, an active region consisting of a single quantum-well active layer Al 0.08 Ga 0.92 As 12 nm thick, a Fabry-Perot optical resonator 2 mm long, formed naturally by a cleaved face with an antireflection coating having a reflection coefficient 5%, and g Anya coated with a reflective coating having a reflection coefficient of 95%, an ohmic contact strip 100 microns width, in the center between the side edges naturally cleaved by a distance of 500 microns, the substrate is GaAs n-type conductivity. For a well-known injection laser, the values of internal optical losses and radiation output loss for the Fabry-Perot resonator modes were 1 cm -1 and 7.6 cm -1 , respectively. An electric current is passed through the strip contact of a known injection laser (see FIG. 1) in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the operation mode of the injection laser (laser diode) corresponds to the forward bias of the pn junction. In the first version of the pump, a continuous current was passed; in the second version of the pump, a pulse current was passed with a current pulse duration of 100 ns and a frequency of 10 kHz. For a known injection laser, the dependence of the optical power exiting through the face coated with an antireflection coating on the continuous pump current is shown in Fig. 4 (curve 7); for a pulsed pump current, it is shown in Fig. 4 (curve 8). The output optical power reached its maximum value with a continuous pump current of 5 W and a pulsed pump current of 59.5 W.

Заявляемый инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера тем, что в волноводном слое была сформирована одна область полупроводникового материала GaAs с шириной запрещенной зоны 1,43 эВ, меньшей ширины запрещенной зоны активной области Al0.08Ga0.92As (1,55 эВ). Оптические потери, связанные с межзонным поглощением излучения ЗМ во введенной области полупроводникового материала GaAs αNB=104 см-1. Ближайшая к области инжекции граница введенной области GaAs располагалась на расстоянии 150 мкм. Ширина области GaAs составляла 50 мкм. Факторы оптического ограничения ЗМ в введенной области GaAs

Figure 00000031
,
Figure 00000032
,
Figure 00000033
значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ
Figure 00000034
. Оптические потери Δα=1 см-1. При выбранных параметрах введенной узкозонной области GaAs неравенствоThe inventive injection laser differed from the known injection laser in that one region of the GaAs semiconductor material was formed in the waveguide layer with a band gap of 1.43 eV, smaller than the band gap of the active region Al 0.08 Ga 0.92 As (1.55 eV). Optical losses associated with interband absorption of ZM radiation in the introduced region of the GaAs semiconductor material α NB = 10 4 cm -1 . The boundary of the introduced GaAs region closest to the injection region was located at a distance of 150 μm. The width of the GaAs region was 50 μm. Factors of optical limitation of ZM in the introduced GaAs region
Figure 00000031
,
Figure 00000032
,
Figure 00000033
the value of the component of the optical limiting factor Г Y in the amplification region for ZM
Figure 00000034
. Optical loss Δα = 1 cm -1 . For the selected parameters of the introduced narrow-gap GaAs region, the inequality

Figure 00000035
Figure 00000035

выполняется. Через полосковый контакт заявляемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствовал прямому смещению p-n перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для заявляемого второго варианта инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.4 (кривая 9), для импульсного тока накачки показана на фиг.4 (кривая 10). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 10,5 Вт, при импульсном токе накачке 77 Вт. Значения выходной оптической мощности, полученные для заявляемого инжекционного лазера, выше, чем у известного инжекционного лазера. Измерения выходной оптической мощности во времени показали, что временная стабильность сигнала заявляемого инжекционного лазера выше, чем у известного инжекционного лазера. Таким образом, заявляемый инжекционный лазер позволяет увеличивать выходную оптическую мощность в непрерывном и импульсном режиме, а также обладает повышенной временной стабильности выходной оптической мощности.performed. An electric current was passed through the strip contact of the inventive injection laser (see FIG. 2) in the direction perpendicular to the heterostructure layers, and the injection laser operating mode corresponded to the forward bias of the pn junction. In the first version of the pump, a continuous current was passed; in the second version of the pump, a pulse current was passed with a current pulse duration of 100 ns and a frequency of 10 kHz. For the inventive second embodiment of the injection laser, the dependence of the optical power exiting through the face with the antireflection coating on the continuous pump current is shown in Fig. 4 (curve 9), for a pulsed pump current it is shown in Fig. 4 (curve 10). The output optical power reached its maximum value with a continuous pump current of 10.5 W, and with a pulsed pump current of 77 W. The output optical power obtained for the inventive injection laser is higher than that of the known injection laser. Measurements of the output optical power over time showed that the temporal stability of the signal of the inventive injection laser is higher than that of the known injection laser. Thus, the inventive injection laser can increase the output optical power in a continuous and pulsed mode, and also has increased temporal stability of the output optical power.

Claims (13)

1. Инжекционный лазер на основе гетероструктуры, содержащий волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в волноводный слой вне области инжекции введена, по меньшей мере, одна область полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды области упомянутого полупроводникового материала удовлетворяет соотношению:
Figure 00000036

где
Figure 00000037
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГX для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн.ед.;
Figure 00000038
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн.ед.;
Figure 00000039
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГZ для ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, отн.ед.;
αNB - оптические потери, связанные с межзонным поглощением излучения ЗМ во введенной области полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны активной области, см-1.
1. Injection laser based on a heterostructure containing a waveguide layer enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry-Perot the resonator and the strip ohmic contact, under which the injection region is located, characterized in that at least one region of the semiconductor material is introduced into the waveguide layer outside the injection region bandgap smaller than the width of the forbidden band of the active region, the optical confinement factor of said closed-loop fashion semiconductor material satisfies the relationship:
Figure 00000036

Where
Figure 00000037
- the value of the component of the optical limiting factor G X for ZM in the introduced region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region, rel.
Figure 00000038
- the value of the constituent factor of the optical limitation G Y for ZM in the introduced region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region, rel.
Figure 00000039
- the value of the component of the optical limitation factor G Z for ZM in the introduced region of the semiconductor material with the band gap less than the band gap of the active region, rel.
α NB is the optical loss associated with interband absorption of ZM radiation in the introduced region of the semiconductor material with a band gap less than the band gap of the active region, cm -1 .
2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что расстояние между ближайшими границами области упомянутого полупроводникового материала и области инжекции не меньше 10 мкм.2. The injection laser according to claim 1, characterized in that the distance between the nearest boundaries of the region of said semiconductor material and the injection region is not less than 10 μm. 3. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что ширина области упомянутого полупроводникового материала не меньше 10 мкм.3. The injection laser according to claim 1, characterized in that the width of the region of said semiconductor material is not less than 10 μm. 4. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что ширина запрещенной зоны области упомянутого полупроводникового материала, по меньшей мере, на 20 мэВ меньше энергии фотонов на линии генерации инжекционного лазера.4. The injection laser according to claim 1, characterized in that the band gap of the region of said semiconductor material is at least 20 meV less than the photon energy on the generation line of the injection laser. 5. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область упомянутого полупроводникового материала выполнена в виде, по меньшей мере, одного квантово-размерного слоя.5. The injection laser according to claim 1, characterized in that the region of said semiconductor material is made in the form of at least one quantum-dimensional layer. 6. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область упомянутого полупроводникового материала выполнена в виде, по меньшей мере, двух квантово-размерных слоев с отличающейся шириной запрещенной зоны.6. The injection laser according to claim 1, characterized in that the region of said semiconductor material is made in the form of at least two quantum-dimensional layers with a different forbidden gap width. 7. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область упомянутого полупроводникового материала выполнена в виде, по меньшей мере, двух квантово-размерных слоев с отличающейся шириной запрещенной зоны, разделенных слоем с большей шириной запрещенной зоны.7. The injection laser according to claim 1, characterized in that the region of said semiconductor material is made in the form of at least two quantum-well layers with different forbidden gap widths separated by a layer with a larger forbidden gap width. 8. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в каждую боковую часть инжекционного лазера введено, по меньшей мере, по одной области упомянутого полупроводникового материала.8. The injection laser according to claim 1, characterized in that at least one region of said semiconductor material is introduced into each side part of the injection laser. 9. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что продольный размер области упомянутого полупроводникового материала меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.9. The injection laser according to claim 1, characterized in that the longitudinal size of the region of said semiconductor material is less than the length of the optical Fabry-Perot resonator. 10. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов A3B5.10. The injection laser according to claim 1, characterized in that the heterostructure is made in the system of solid solutions A 3 B 5 . 11. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна граница области упомянутого полупроводникового материала не параллельна боковым естественно сколотым граням, формирующим боковые ограничительные поверхности.11. The injection laser according to claim 1, characterized in that at least one boundary of the region of said semiconductor material is not parallel to the laterally naturally chipped faces forming the lateral boundary surfaces. 12. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область упомянутого полупроводникового материала выполнена легированной примесью n-типа проводимости, выбранной из группы: Si, Te, Ge, Sn, или их комбинацией.12. The injection laser according to claim 1, characterized in that the region of said semiconductor material is made of a doped n-type impurity selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof. 13. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область упомянутого полупроводникового материала выполнена легированной примесью p-типа проводимости, выбранной из группы: C, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацией. 13. The injection laser according to claim 1, characterized in that the region of said semiconductor material is made of a doped p-type impurity selected from the group: C, S, Mg, Be, Zn, or a combination thereof.
RU2010144643/28A 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser RU2443044C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010144643/28A RU2443044C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010144643/28A RU2443044C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2443044C1 true RU2443044C1 (en) 2012-02-20

Family

ID=45854704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010144643/28A RU2443044C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2443044C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2548034C2 (en) * 2013-05-31 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Эйрсенс" Injection laser with modulated emission
RU2587097C1 (en) * 2015-02-16 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Injection laser
RU2685434C1 (en) * 2018-02-05 2019-04-18 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Injection laser

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0735635A2 (en) * 1995-03-31 1996-10-02 Canon Kabushiki Kaisha Optical semiconductor apparatus, driving method therefor, light source apparatus and optical communication system using the same
RU2259620C1 (en) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Injection laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
WO2010060998A2 (en) * 2008-11-28 2010-06-03 Pbc Lasers Gmbh Method for improvement of beam quality and wavelength stabilized operation of a semiconductor diode laser with an extended waveguide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0735635A2 (en) * 1995-03-31 1996-10-02 Canon Kabushiki Kaisha Optical semiconductor apparatus, driving method therefor, light source apparatus and optical communication system using the same
RU2259620C1 (en) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Injection laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
WO2010060998A2 (en) * 2008-11-28 2010-06-03 Pbc Lasers Gmbh Method for improvement of beam quality and wavelength stabilized operation of a semiconductor diode laser with an extended waveguide

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2548034C2 (en) * 2013-05-31 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Эйрсенс" Injection laser with modulated emission
RU2587097C1 (en) * 2015-02-16 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Injection laser
WO2016133426A1 (en) * 2015-02-16 2016-08-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Injection laser
RU2685434C1 (en) * 2018-02-05 2019-04-18 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Injection laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Slipchenko et al. Ultralow internal optical loss in separate-confinement quantum-well laser heterostructures
JP5717726B2 (en) DFB laser diode with lateral coupling for high output power
JP4928927B2 (en) Surface emitting semiconductor laser device
US20050040410A1 (en) Tilted cavity semiconductor optoelectronic device and method of making same
US20070223549A1 (en) High-Power Optoelectronic Device with Improved Beam Quality Incorporating A Lateral Mode Filtering Section
US8073029B2 (en) Semiconductor optical device
US9350138B2 (en) Single-step-grown transversely coupled distributed feedback laser
JP2008135786A (en) High power semiconductor laser diode
AU4992999A (en) High power laterally antiguided semiconductor light source with reduced transverse optical confinement
US6649938B1 (en) Semiconductor optical amplifier
US8798109B2 (en) High-efficiency diode laser
JP5323553B2 (en) Semiconductor optical amplifier
Oomura et al. Low threshold InGaAsP/InP buried crescent laser with double current confinement structure
US20070290191A1 (en) Resonant cavity optoelectronic device with suppressed parasitic modes
RU2443044C1 (en) Injection laser
US20060171440A1 (en) Apparatus for generating improved laser beam
CN210245533U (en) Multi-quantum well structure with different widths for widening spectral width of super-radiation light-emitting diode
JP2022501815A (en) Gain-guided semiconductor laser and its manufacturing method
RU2259620C1 (en) Injection laser
CA2398829A1 (en) Semiconductor diode lasers with improved beam divergence priority
RU2444101C1 (en) Injection laser
US12191634B2 (en) Semiconductor laser element
US20240038932A1 (en) Nitride semiconductor light-emitting device
JP4345673B2 (en) Semiconductor laser
RU2587097C1 (en) Injection laser