RU2444101C1 - Injection laser - Google Patents
Injection laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444101C1 RU2444101C1 RU2010144644/28A RU2010144644A RU2444101C1 RU 2444101 C1 RU2444101 C1 RU 2444101C1 RU 2010144644/28 A RU2010144644/28 A RU 2010144644/28A RU 2010144644 A RU2010144644 A RU 2010144644A RU 2444101 C1 RU2444101 C1 RU 2444101C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- doped region
- region
- injection laser
- injection
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
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 (см. патент US 7643527, МПК H05S 5/323, опубликован 05.01.2010), включающий подложку, характеризующуюся наличием областей с дислокациями с плотностью 105 см-2 или больше, кристаллическую полупроводниковую структуру, расположеную на подложке и имеющую активный слой. Изолирующий слой расположен на полупроводниковой структуре, верхний омический контакт расположен на изолирующем слое и электрически связан с полупроводниковой структурой для инжекции тока в активную область. Нижний омический контакт расположен на нижней поверхности подложки. Полупроводниковый лазер имеет оптический резонатор с длиной L и площадью верхнего омического контакта 120·L мкм2 или меньше.Known injection laser (see patent US 7643527, IPC H05S 5/323, published 05.01.2010), including a substrate, characterized by the presence of regions with dislocations with a density of 10 5 cm -2 or more, a crystalline semiconductor structure located on the substrate and having an active layer. The insulating layer is located on the semiconductor structure, the upper ohmic contact is located on the insulating layer and is electrically connected to the semiconductor structure to inject current into the active region. The lower ohmic contact is located on the lower surface of the substrate. The semiconductor laser has an optical resonator with a length L and an upper ohmic contact area of 120 · L μm 2 or less.
К недостаткам предлагаемого инжекционного лазера относится отсутствие технических решений для подавления генерации замкнутой моды. В результате выходная оптическая мощность предлагаемого полупроводникового лазера не достигает максимально возможного значения.The disadvantages of the proposed injection laser include the lack of technical solutions to suppress the generation of a closed mode. As a result, the output optical power of the proposed semiconductor laser does not reach the maximum possible value.
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
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 the regions 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
Г0 QW/Гm QW>1,7;G 0 QW / G m QW >1.7;
где Г0 QW и Гm QW - 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 Г 0 QW and Г m QW 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 the regions 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 первый 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 первом волноводном слое вне области инжекции выполнена по меньшей мере одна легированная область. Фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению:The problem is solved in that the injection laser based on the heterostructure includes a first 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, optical Fabry-Perot resonator and strip ohmic contact, under which the injection region is located. At least one doped region is formed in at least the first waveguide layer outside the injection region. The optical limitation factor of the closed mode (ZM) in the doped region and the concentration of free charge carriers in the doped region satisfy the relation:
; ;
где - значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ, отн. ед.;Where - the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region for ZM, rel. units;
- потери на выход Фабри-Перо моды, см-1; - losses at the exit of the Fabry-Perot fashion, cm -1 ;
αi - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см-1;α i - internal optical absorption loss on free charge carriers in the amplification region, cm -1 ;
Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (αSC), межзонным поглощением (αBGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см-1;Δα is the optical loss associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities (α SC ), interband absorption (α BGL ) and absorption on free charge carriers in the sides of the injection laser relative to the strip ohmic contact, cm -1 ;
- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.; - factor of optical limitation of ZM in the doped region, rel. units;
σn - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см2;σ n is the absorption cross section for free electrons in the doped region, cm 2 ;
n - концентрация свободных электронов в легированной области, см-3;n is the concentration of free electrons in the doped region, cm -3 ;
σp - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см2;σ p is the absorption cross section for free holes in the doped region, cm 2 ;
p - концентрация свободных дырок в легированной области, см-3.p is the concentration of free holes in the doped region, cm -3 .
Расстояние между ближайшими границами легированной области и области инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм.The distance between the nearest boundaries of the doped region and the injection region can be no less than 10 μm, and its width not less than 10 μm.
Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.The doped region may contain an element selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof as an n-type dopant.
Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.The doped region may contain an element selected from the group C, S, Mg, Be, Zn, or a combination of these as a p-type dopant.
Легированная область может быть сформирована ионной бомбардировкой.The doped region can be formed by ion bombardment.
Легированная область может быть сформирована путем диффузии примеси из поверхностных слоев в волноводный слой.The doped region can be formed by diffusion of the impurity from the surface layers into the waveguide layer.
По меньшей мере в первом волноводном слое вне области инжекции могут быть выполнены две легированные области, расположенные в боковых частях инжекционного лазера.At least in the first waveguide layer, two doped regions located in the side parts of the injection laser can be made outside the injection region.
Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 1017 см-3.The concentration of the dopant of each type can be not less than 10 17 cm -3 .
Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя, при этом активная область расположена во втором волноводном слое.The injection laser may comprise a second waveguide layer with a band gap smaller than the band gap of the first waveguide layer, the active region being located in the second waveguide layer.
В инжекционном лазере продольный размер легированной области может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.In an injection laser, the longitudinal size of the doped region can be less than the length of the optical Fabry-Perot resonator.
Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А3B5.The heterostructure of the injection laser can be performed in the system of solid solutions A 3 B 5 .
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 чертежом, гдеThe inventive injection laser is illustrated in the drawing, 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 легированная область;figure 2 shows the inventive injection laser, in the side of which a doped region is introduced;
на фиг.3 показан заявляемый инжекционный лазер с первым и вторым волноводными слоями.figure 3 shows the inventive injection laser with the first and second waveguide layers.
на фиг.4 приведены качественные зависимости материального усиления в активном полоске (кривая 1) и потерь в пассивной области (кривая 2) от длины волны (λFP и λCM - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ, , и - материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ, и - потери на межзонное поглощение в пассивных областях соответственно для ФПМ и ЗМ);figure 4 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 CM are the generation wavelengths, respectively, of the FPM and ZM, , and - material gain, respectively, FPM and ZM, and - losses due to interband absorption in the passive regions for the MTF and ZM, respectively);
на фиг.5 показана зависимость выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от тока накачки для известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера (кривая 3 - при непрерывном токе накачки, кривая 4 - при импульсном токе накачки для известного лазера; кривая 5. - при непрерывном токе накачки, кривая 6 - при импульсном токе накачки для заявляемого инжекционного лазера).figure 5 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 (
Известный инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит первый 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 естественно сколотой 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 усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественно сколотые 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
Предлагаемый инжекционный лазер (см. фиг.2) содержит первый 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 естественно сколотой 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 усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественносколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12, легированную область (заштрихована прямыми вертикальными линиями) 13. Инжекционный лазер может содержать две легированные области 13, расположенные в боковых частях инжекционного лазера. Расстояние между ближайшими границами легированной области 13 и области 8 инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм. Легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию. В другом воплощении изобретения легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию. Легированная область 13 может быть сформирована, например, ионной бомбардировкой или путем диффузии примеси из поверхностных слоев в первый волноводный слой 1. Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 1017 см-3. Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой 14 (см. фиг.3) с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя 1, при этом активная область 4 расположена во втором волноводном слое 14. Продольный размер легированной области 13 может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора. Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А3B5.The proposed injection laser (see figure 2) contains the
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. - Москва, 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 Фабри-Перо резонатора (естественно сколотой 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 первым 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) Фабри-Перо 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 волноводными и эмиттерными (ограничительными) слоями гетероструктуры, полосковым омическим контактом, зеркалами Фабри-Перо резонатора и боковыми ограничительными поверхностями. Выполнение пороговых условий генерации для ФПМ или ЗМ определяет режим работы инжекционного лазера. Когда порог генерации выполнен только для ФПМ, достигается максимальная полезная выходная эффективности 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 первый 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. - Moscow, 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 normal to the Fabry-Perot mirrors of the resonator (naturally, the
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
В общем виде фактор оптического ограничения в области 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 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)]
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 Vg is the volume of the
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
В инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7 ширина полоскового омического контакта (w) превышает длину волны генерации, а зеркала (5, 6) Фабри-Перо резонатора ограничивают область усиления в направлении, параллельном оси резонатора. Это позволяет полю ФПМ быть полностью локализованным в области, ограниченной размерами полоскового омического контакта и длиной 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 первого волноводного и ограничительных слоев (1, 2, 3), а также толщины активной области 4. Для лазерных гетероструктур ГX является фактором оптической 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
где - материальное усиление на длине волны генерации ФПМ;Where - material gain at the FPM generation wavelength;
- потери на выход ФПМ; - 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 генерации 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.4 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. ФПМ с максимальным значением материального усиления на длине волны генерации λFP соответствует достаточно высокое значение потерь на межзонное поглощение в пассивных областях . Как следствие, область распространения ФПМ ограничена только областью под полосковым омическим контактом. Из фиг.4 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 на длине волны генерации для ЗМ может быть достигнут порог генерации. Рассмотрим пороговое условие генерации для ЗМ в инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7. Так как ЗМ захватывает весь объем первого волноводного слоя 1 инжекционного лазера, то фактор оптического ограничения ЗМ для области усиления (ГCM) выглядит следующим образомIn order to determine the threshold generation 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
где - значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области 9 усиления для ЗМ. Как показано выше (и подтверждено экспериментально), длина λCM волны генерации ЗМ смещена в низкоэнергетическую область спектра относительно ФПМ. В результате материальное усиление ЗМ () может быть представлено как:Where - the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the
где Δ - расстройка материального усиления, определяемая как разность между материальными усилениями ФПМ и ЗМ. Оптические потери для ЗМ αCM 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 ZM α CM can be expressed as:
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
На основании вышесказанного пороговые условия для ЗМ примут вид:Based on the foregoing, the threshold conditions for ZM will take the form:
Принимая значение Δ=0 с учетом (3) получаем неравенство, удовлетворение которого подавляет генерацию ЗМ в известных инжекционных лазерахTaking the value Δ = 0, taking into account (3), we obtain an inequality, the satisfaction of which suppresses the generation of ZMs in known injection lasers
Созданная по меньшей мере в первом волноводном слое 1 вне области 8 инжекции по меньшей мере одна легированная область 13 позволяет увеличить оптические потери для ЗМ на величину . 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 легированной области 13 подбирается путем выбора ее размеров и положения, решая волновое уравнение, что определяет значение , а также путем выбора концентрации и типа легирующей примеси.At least one doped
Заявляемый инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый омический контакт 7 заявляемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) 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 легированной области 13 (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 electrical current is passed through a strip
Пример. Были проведены сравнительные испытания известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера. Был изготовлен известный инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающей волноводный слой GaAs толщиной 0,6 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al0.3Ga0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al0.3Ga0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In0.26Gа0.74Аs толщиной 8,5 нм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 1,5 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 2 см-1 и 10.15 см-1, соответственно. Через полосковый контакт известного инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера 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.5 (кривая 3), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 4). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 5,4 Вт, при импульсном токе накачке 34,5 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
Заявляемый инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера тем, что в волноводном слое была сформирована легированная область. Легирование осуществлялось цинком, примесью p-типа электропроводности, до концентрации p=1018 см-3 с сечением поглощения на свободных дырках в легированной области σp=7*10-18 см2. Ближайшая к области инжекции граница легированной области располагалась на расстоянии 100 мкм. Ширина области легирования составляла 100 мкм, фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области =0.2, значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ =0.2. При выбранных параметрах области легирования неравенствоThe inventive injection laser was different from the known injection laser in that a doped region was formed in the waveguide layer. Doping was carried out with zinc, an admixture of p-type electrical conductivity, to a concentration of p = 10 18 cm -3 with an absorption cross section on free holes in the doped region σ p = 7 * 10 -18 cm 2 . The boundary of the doped region closest to the injection region was located at a distance of 100 μm. The width of the doping region was 100 μm; the optical restriction factor of ZM in the doped region = 0.2, the value of the component of the optical limiting factor Г Y in the amplification region for ZM = 0.2. With the chosen parameters of the doping region, the inequality
выполняется. Через полосковый омический контакт предлагаемого 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 инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 5), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 6). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 8,8 Вт, при импульсном токе накачке 54,5 Вт. Значения выходной оптической мощности, полученные для инжекционного лазера, оказались 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 имеет увеличенную выходную оптическую мощность в непрерывном и импульсном режиме, а также обладает повышенной временной стабильностью выходной оптической мощности.performed. An electric current was passed through the strip ohmic contact of the proposed injection laser (see Fig. 2) in the direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operation 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 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. 5 (curve 5), for a pulsed pump current it is shown in Fig. 5 (curve 6). The output optical power reached its maximum value with a continuous pump current of 8.8 W, with a pulsed pump current of 54.5 W. The output optical power values obtained for the injection laser turned out to be 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 has an increased output optical power in continuous and pulsed mode, and also has increased temporal stability of the output optical power.
Claims (13)
где - значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ, отн. ед.;
- потери на выход Фабри-Перо моды, см-1;
αi - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см-1;
Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (αSC), межзонным поглощением (αBGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см-1;
- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.;
σn - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см2;
n - концентрация свободных электронов в легированной области, см-3;
σp - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см2;
p - концентрация свободных дырок в легированной области, см-3.1. Injection laser based on a heterostructure, comprising a first 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 A pen resonator and a strip ohmic contact, under which an injection region is located, characterized in that at least one doped region is made in at least one doped region at least in the first waveguide layer outside the injection region, When this optical confinement factor closed fashion (ZM) in the doped region and the free charge carrier concentration in the doped region satisfy the relation
Where - the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region for ZM, rel. units;
- losses at the exit of the Fabry-Perot fashion, cm -1 ;
α i - internal optical absorption loss on free charge carriers in the amplification region, cm -1 ;
Δα is the optical loss associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities (α SC ), interband absorption (α BGL ) and absorption on free charge carriers in the sides of the injection laser relative to the strip ohmic contact, cm -1 ;
- factor of optical limitation of ZM in the doped region, rel. units;
σ n is the absorption cross section for free electrons in the doped region, cm 2 ;
n is the concentration of free electrons in the doped region, cm -3 ;
σ p is the absorption cross section for free holes in the doped region, cm 2 ;
p is the concentration of free holes in the doped region, cm -3 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) | 2010-11-02 | 2010-11-02 | Injection laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) | 2010-11-02 | 2010-11-02 | Injection laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2444101C1 true RU2444101C1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) | 2010-11-02 | 2010-11-02 | Injection laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2444101C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540233C1 (en) * | 2013-10-09 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Injection laser having multiwave modulated emission |
Citations (4)
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 |
-
2010
- 2010-11-02 RU RU2010144644/28A patent/RU2444101C1/en active
Patent Citations (4)
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 (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540233C1 (en) * | 2013-10-09 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Injection laser having multiwave modulated emission |
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 | |
US7190872B2 (en) | Semiconductor optical amplifier and optical module using the same | |
US20070223549A1 (en) | High-Power Optoelectronic Device with Improved Beam Quality Incorporating A Lateral Mode Filtering Section | |
US9350138B2 (en) | Single-step-grown transversely coupled distributed feedback laser | |
US4845725A (en) | Window laser with high power reduced divergence output | |
AU4992999A (en) | High power laterally antiguided semiconductor light source with reduced transverse optical confinement | |
US6714574B2 (en) | Monolithically integrated optically-pumped edge-emitting semiconductor laser | |
EP1063743A1 (en) | Semi-conductor optical amplifier | |
US8798109B2 (en) | High-efficiency diode laser | |
US20060171440A1 (en) | Apparatus for generating improved laser beam | |
RU2443044C1 (en) | Injection laser | |
US7251381B2 (en) | Single-mode optical device | |
US8660160B2 (en) | Semiconductor laser element and method of manufacturing the same | |
CN210245533U (en) | Multi-quantum well structure with different widths for widening spectral width of super-radiation light-emitting diode | |
RU2444101C1 (en) | Injection laser | |
RU2259620C1 (en) | Injection laser | |
RU2540233C1 (en) | Injection laser having multiwave modulated emission | |
US20240038932A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device | |
RU2361343C2 (en) | Impulse injection laser | |
Kallenbach et al. | High-power high-brightness ridge-waveguide tapered diode lasers at 14xx nm | |
RU2587097C1 (en) | Injection laser | |
JPH05259506A (en) | Super/light-emitting semiconductor diode and manufacture therefor | |
JPH0945986A (en) | Semiconductor laser device | |
CN112397619A (en) | Multi-quantum well structure with different widths for widening spectral width of super-radiation light-emitting diode |