RU2549553C2 - Injection laser - Google Patents
Injection laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2549553C2 RU2549553C2 RU2013135893/28A RU2013135893A RU2549553C2 RU 2549553 C2 RU2549553 C2 RU 2549553C2 RU 2013135893/28 A RU2013135893/28 A RU 2013135893/28A RU 2013135893 A RU2013135893 A RU 2013135893A RU 2549553 C2 RU2549553 C2 RU 2549553C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- fabry
- ohmic contact
- injection laser
- injection
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к квантовой электронике и квантовым усилителям, а именно к мощным полупроводниковым лазерам с распределенной обратной связью.The present invention relates to quantum electronics and quantum amplifiers, namely to high-power semiconductor lasers with distributed feedback.
Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях научной деятельности и промышленности, например, в качестве источников оптического излучения для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей. Широкое распространение полупроводниковые лазеры получили вследствие достижения высокого значения КПД и выходной оптической мощности. Развитие современных подходов к конструкции мощных полупроводниковых лазеров позволило существенно снизить величину внутренних оптических потерь (менее 1 см-1) и достичь предельного значения внутреннего квантового выхода (более 99%). Улучшения данных параметров полупроводникового лазера позволило получить рекордные значения выходной оптической мощности, как в непрерывном, так и в импульсном режиме работы. Но при этом увеличение мощности сопровождается значительным увеличением ширины спектра генерации лазера, что ведет к снижению спектральной плотности мощности излучения. Это увеличение ширины спектра генерации лазера обусловлено разогревом лазерной гетероструктуры вследствие протекания через нее электрического тока. Увеличение ширины спектра генерации мощного полупроводникового лазера существенно снижает эффективность оптической накачки твердотельных и волоконных лазеров в силу того, что они обладают спектрально узкой линией поглощения. Для сужения спектра генерации мощного полупроводникового лазера применяют различные конструктивные решения. Их можно разделить на две группы: решения, представленные в интегральном исполнении, и в виде внешних элементов.Powerful semiconductor lasers are widely used in many fields of scientific activity and industry, for example, as sources of optical radiation for pumping solid-state and fiber lasers and amplifiers. Semiconductor lasers are widely used due to the achievement of a high value of efficiency and output optical power. The development of modern approaches to the design of high-power semiconductor lasers has made it possible to significantly reduce the value of internal optical loss (less than 1 cm -1 ) and to reach the limit value of the internal quantum yield (more than 99%). Improvements in these parameters of the semiconductor laser made it possible to obtain record values of the output optical power, both in continuous and in pulsed operation. But at the same time, an increase in power is accompanied by a significant increase in the width of the laser generation spectrum, which leads to a decrease in the spectral density of radiation power. This increase in the width of the laser generation spectrum is due to the heating of the laser heterostructure due to the flow of electric current through it. An increase in the width of the generation spectrum of a high-power semiconductor laser significantly reduces the optical pumping efficiency of solid-state and fiber lasers because they have a spectrally narrow absorption line. To narrow the generation spectrum of a high-power semiconductor laser, various design solutions are used. They can be divided into two groups: solutions presented in an integrated version, and in the form of external elements.
В случае внешних элементов (см. - George В. Venus, Armen Sevian, Vadim I. Smirnov, Leonid B. Glebov - "High-brightness narrow-line laser diode source with volume Bragg-grating feedback". - Proc. SPIE 5711, High-Power Diode Laser Technology and Applications III, 166, March 17, 2005) применяют внешний селективный резонатор, имеющий повышенную добротность в узком спектральном диапазоне, который перекрывается с материальным усилением активной области лазерной гетероструктуры. Недостатком данного решения является высокая чувствительность к механическим воздействиям на устройство и необходимость сверхточной юстировки внешнего резонатора. Еще одним негативным аспектом данного решения является высокая себестоимость внешнего резонатора, которая зачастую превышает стоимость самого полупроводникового лазера.In the case of external elements (see - George B. Venus, Armen Sevian, Vadim I. Smirnov, Leonid B. Glebov - "High-brightness narrow-line laser diode source with volume Bragg-grating feedback". - Proc. SPIE 5711, High-Power Diode Laser Technology and Applications III, 166, March 17, 2005) use an external selective resonator having an increased Q factor in a narrow spectral range, which overlaps with the material gain of the active region of the laser heterostructure. The disadvantage of this solution is the high sensitivity to mechanical stress on the device and the need for ultra-precise alignment of the external resonator. Another negative aspect of this solution is the high cost of the external cavity, which often exceeds the cost of the semiconductor laser itself.
Ввиду вышеперечисленных причин более эффективно использовать полупроводниковые лазеры, селективная обратная связь которых осуществлена в интегральном представлении.In view of the above reasons, it is more efficient to use semiconductor lasers, the selective feedback of which is carried out in the integral representation.
Известен инжекционный лазер (см. US 6107112, МПК H01L 21/00 H01S 5/00, опубликован 22.08.2000), содержащий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, активную, оптический резонатор Фабри-Перо. В одном из слоев лазерной гетероструктуры выполнена решетка из периодически расположенных мезаканавок, имеющих треугольную форму в поперечном сечении и расположенных перпендикулярно оптическому резонатору Фабри-Перо. Мезаканавки заращены следующими слоями гетероструктуры.A known injection laser (see US 6107112, IPC H01L 21/00
Спектр излучения известного инжекционного лазера состоит из двух продольных мод, что негативно сказывается на ширине спектральной линии излучения. Также формирование решетки из мезаканавок внутри гетероструктуры существенно усложняет процесс изготовления инжекционного лазера.The radiation spectrum of the known injection laser consists of two longitudinal modes, which negatively affects the width of the spectral line of radiation. Also, the formation of a lattice of mesoscopic grooves inside the heterostructure significantly complicates the process of manufacturing an injection laser.
Известен инжекционный лазер (см. патент US 6477194, МПК H01S 3/08, опубликован 05.11.2002), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями и активной областью, содержащей квантовые ямы, и оптический резонатор Фабри-Перо. В одном из слоев гетероструктуры выполнена решетка из периодически расположенных мезаканавок треугольной формы, расположенных перпендикулярно оптическому резонатору Фабри-Перо и зарощенных следующими слоями гетероструктуры.Known injection laser (see patent US 6477194, IPC
Известный инжекционный лазер с распределенной обратной связью имеет узкий спектр генерации. Благодаря наличию дополнительных оптических потерь в области решетки лазерная мода, находящаяся на коротковолновом крае запрещенной зоны, имеет меньшие пороговые значения, нежели другие резонаторные моды. К недостаткам известного инжекционного лазера относится необходимость его работы при низких температурах, что существенно ограничивает применение лазера.The well-known injection laser with distributed feedback has a narrow generation spectrum. Owing to the presence of additional optical losses in the grating region, the laser mode located at the short-wavelength edge of the band gap has lower threshold values than other resonator modes. The disadvantages of the known injection laser include the need for its operation at low temperatures, which significantly limits the use of the laser.
Известен инжекционный лазер (см. J. Fricke, Н. Wenzel, F. Bugge, О.Р. Brox, A. Ginolas, W. John, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert. - "High-Power Distributed Feedback Lasers With Surface Gratings". - IEEE Photonics Tech. Lett., vol. 24, №16, 2012), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и выбранный в качестве прототипа. Инжекционный лазер-прототип включает полупроводниковую гетероструктуру, состоящую из волноводного слоя, заключенного между ограничивающими слоями n- и p- типов проводимости, содержащую по крайне мере одну квантово-размерную активную область. В ограничивающем слое p-типа проводимости сформированы мезаканавки, расположенные перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, которые обеспечивают наличие распределенной обратной связи. Глубина мезаканавок равняется толщине ограничивающего слоя p-типа проводимости и составляет 1,35 мкм. Ширина мезаканавки составляет 0,5 мкм. Длина мезаканавки равняется ширине омического контакта и составляет 90 мкм. Мезаканавки в поперечном сечении имеют симметричную V-образную форму (форму равнобедренного треугольника). Мезаканавки расположены эквидистантно вдоль всей длине L оптического резонатора Фабри-Перо с периодом, определяющимся из соотношения:An injection laser is known (see J. Fricke, N. Wenzel, F. Bugge, O.P. Brox, A. Ginolas, W. John, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert. - "High-Power Distributed Feedback Lasers With Surface Gratings ". - IEEE Photonics Tech. Lett., Vol. 24, No. 16, 2012), coinciding with this solution for the largest number of essential features and selected as a prototype. The injection laser prototype includes a semiconductor heterostructure consisting of a waveguide layer enclosed between the confining layers of n- and p-types of conductivity, containing at least one quantum-dimensional active region. In the p-type conduction boundary layer, meshes are formed perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, which ensure the presence of distributed feedback. The depth of the grooves is equal to the thickness of the p-type confining layer and is 1.35 μm. The width of the mezzanine is 0.5 μm. The length of the mesa groove is equal to the width of the ohmic contact and is 90 μm. The cross-sectional grooves have a symmetrical V-shape (the shape of an isosceles triangle). The meshes are located equidistantly along the entire length L of the Fabry-Perot optical resonator with a period determined from the relation:
где Λ - период расположения мезаканавок, мкм;where Λ is the period of the location of the mesanas, microns;
m - целое положительное число;m is a positive integer;
λ - длина волны лазерного излучения, мкм;λ is the wavelength of the laser radiation, microns;
n - эффективный показатель преломления волноводного слоя;n is the effective refractive index of the waveguide layer;
L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм.L is the length of the Fabry-Perot optical resonator, microns.
Условие
Недостатком известного инжекционного лазера-прототипа является наличие двух собственных мод резонатора с распределенной обратной связью с одинаковым пороговым усилением. В результате спектр полупроводникового лазера имеет многомодовый состав и значительно расширяется с увеличением уровня инжекции тока.A disadvantage of the known injection laser prototype is the presence of two eigenmodes of the resonator with distributed feedback with the same threshold gain. As a result, the spectrum of a semiconductor laser has a multimode composition and expands significantly with increasing current injection level.
Задачей настоящего технического решения является разработка такого инжекционного лазера, который бы имел суженный спектр излучения.The objective of this technical solution is to develop such an injection laser, which would have a narrowed spectrum of radiation.
Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер включает полупроводниковую гетероструктуру, содержащую волноводный слой, заключенный между верхним и нижним широкозонными эмиттерами соответственно p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, с активной областью, состоящей по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптический резонатор Фабри-Перо и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. В верхнем эмиттере p-типа проводимости в области омического контакта выполнены мезаканавки длиной, равной или меньшей ширины омического контакта, глубиной, по меньшей мере равной толщине верхнего эмиттера p-типа проводимости, и эквидистантно расположенные с периодом, определяемым из соотношений:The problem is solved in that the injection laser includes a semiconductor heterostructure containing a waveguide layer enclosed between the upper and lower wide-band emitters of p- and n-type conductivity, respectively, which are simultaneously boundary layers, with an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, a Fabry-Perot optical resonator, and a strip ohmic contact, under which the injection region is located. In the upper p-type emitter in the ohmic contact region, meshes are made with a length equal to or less than the ohmic contact width, with a depth of at least equal to the thickness of the upper p-type emitter and equidistantly located with a period determined from the relations:
где Λ - период расположения мезаканавок, мкм;where Λ is the period of the location of the mesanas, microns;
m - целое положительное число;m is a positive integer;
λ - длина волны лазерного излучения, мкм;λ is the wavelength of the laser radiation, microns;
n - эффективный показатель преломления волноводного слоя;n is the effective refractive index of the waveguide layer;
L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм.L is the length of the Fabry-Perot optical resonator, microns.
Новым в настоящем инжекционном лазере является выполнение мезаканавок в поперечном сечении в форме клина, одна из граней которого перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки.New in this injection laser is the implementation of wedge shaped grooves in the cross section in the form of a wedge, one of the faces of which is perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, and the second face is tilted outward at an angle of 25-60 degrees to the plane of the first face of the mesa groove.
Выбор интервала углов наклона 25-60 градусов одной из граней мезаканавок обусловлен следующим. Теория связанных мод (см. А. Ярив - Введение в оптическую электронику. - Москва, Высшая Школа, 1983; Н. Ghafouri-Shiraz, B.S.K. Lo - Distributed Feedback Laser Diodes: Principles and Physical Modeling. - N.Y., John Wiley & Sons, 1996) описывает поведение распространения электромагнитного излучения в волноводной среде, обладающей периодической модуляцией диэлектрической проницаемости. В данной теории решается стационарное волновое уравнение:The choice of the interval of tilt angles of 25-60 degrees of one of the faces of the mezzanines is due to the following. Theory of coupled modes (see A. Yariv - Introduction to Optical Electronics. - Moscow, Higher School, 1983; N. Ghafouri-Shiraz, BSK Lo - Distributed Feedback Laser Diodes: Principles and Physical Modeling. - NY, John Wiley & Sons, 1996) describes the behavior of the propagation of electromagnetic radiation in a waveguide medium with periodic modulation of the dielectric constant. In this theory, the stationary wave equation is solved:
где E(x,y,z) - распределение электромагнитного поля, В/м;where E (x, y, z) is the distribution of the electromagnetic field, V / m;
Δ - оператор Лапласа;Δ is the Laplace operator;
k0 - волновой вектор электромагнитного поля в вакууме, см-1;k 0 - wave vector of the electromagnetic field in vacuum, cm -1 ;
ε(x,y,z) - диэлектрическая проницаемость волноводного слоя.ε (x, y, z) is the dielectric constant of the waveguide layer.
Диэлектрическая проницаемость волноводного слоя имеет периодичность вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо в соответствии с периодичностью расположения мезаканавок:The dielectric constant of the waveguide layer has a periodicity along the axis of the Fabry-Perot optical resonator in accordance with the frequency of arrangement of the meshes:
ε(x,y,z)=ε0(x,y)+Δε(x,y,z);ε (x, y, z) = ε 0 (x, y) + Δε (x, y, z);
Δε(x,y,z)=Δε(x,y,z+Λ):Δε (x, y, z) = Δε (x, y, z + Λ):
где ε0 - фоновая диэлектрическая проницаемость волноводного слоя;where ε 0 is the background dielectric constant of the waveguide layer;
Δε - амплитуда модуляции диэлектрической проницаемости волноводного слоя, вызванная наличием дифракционной решетки;Δε is the amplitude of the modulation of the dielectric constant of the waveguide layer caused by the presence of a diffraction grating;
Λ - период расположения мезаканавок, мкм.Λ is the period of the location of the mesanas, microns.
Решение этого волнового уравнения приводит к тому, что распределение электромагнитного поля вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо представляет собой две волны, одна - бегущая в сторону плюс бесконечности, вторая - в сторону минус бесконечности:The solution of this wave equation leads to the fact that the distribution of the electromagnetic field along the axis of the Fabry-Perot optical resonator is two waves, one - running in the direction of plus infinity, the second - in the direction of minus infinity:
E(z)=Ef(z)·eiβz+Eb(z)·e-iβz;E (z) = E f (z) · e iβz + E b (z) · e -iβz ;
где E(z) - распределение электромагнитного поля вдоль оси оптического резонатора Фабри-Перо, В/м;where E (z) is the distribution of the electromagnetic field along the axis of the Fabry-Perot optical resonator, V / m;
β - волновой вектор электромагнитного поля в среде, см-1;β is the wave vector of the electromagnetic field in the medium, cm -1 ;
Ef(z) - амплитуда волны бегущей в сторону плюс бесконечности, В/м;E f (z) - the amplitude of the wave traveling to the side plus infinity, V / m;
Eb(z) - амплитуда волны бегущей в сторону минус бесконечности, В/м.E b (z) is the amplitude of the wave traveling to the side minus infinity, V / m.
При этом амплитуды бегущих волнах Ef(z), Eb(z) являются функциями от координаты и зависят друг от друга, что свидетельствует о том, что волны обмениваются энергией. Амплитуды бегущих волн удовлетворяют системе дифференциальных уравнений:In this case, the amplitudes of the traveling waves E f (z), E b (z) are functions of the coordinate and depend on each other, which indicates that the waves exchange energy. The amplitudes of the traveling waves satisfy the system of differential equations:
гдеWhere
β0 - брэгговский волновой вектор, см-1;β0 is the Bragg wave vector, cm -1 ;
i - мнимая единица;i is the imaginary unit;
m - целое положительное число;m is a positive integer;
κf - коэффициент связи волны, бегущей в сторону плюс бесконечности, с волной, бегущей в сторону минус бесконечности, см-1;κ f is the coupling coefficient of the wave traveling in the direction of plus infinity, with the wave running in the direction of minus infinity, cm -1 ;
κb - коэффициент связи волны бегущей в сторону минус бесконечности, с волной, бегущей в сторону плюс бесконечности, см-1.κ b is the coupling coefficient of the wave traveling in the direction of minus infinity, with the wave running in the direction of plus infinity, cm -1 .
Они определяются соотношениями:They are determined by the relations:
где k0 - волновой вектор электромагнитного поля в вакууме, см-1;where k 0 is the wave vector of the electromagnetic field in vacuum, cm -1 ;
β - волновой вектор электромагнитного поля в среде, см-1;β is the wave vector of the electromagnetic field in the medium, cm -1 ;
U(x,y) - распределение электромагнитного поля в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо;U (x, y) is the distribution of the electromagnetic field in a plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator;
Δmεf - m-Фурье компонента модуляции диэлектрической проницаемости Δε для волны, бегущей в сторону плюс бесконечности;Δ m ε f - m-Fourier component of the modulation of the dielectric constant Δε for a wave traveling in the direction of plus infinity;
Δmεb - m-Фурье компонента модуляции диэлектрической проницаемости Δε для волны, бегущей в сторону минус бесконечности;Δ m ε b - m-Fourier component of the modulation of the dielectric constant Δε for a wave traveling in the direction of minus infinity;
Vg - области решетки в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо, см2.Vg - region of the lattice in a plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, cm 2 .
Отношение амплитуд Ef(z), Eb(z) будет давать коэффициент отражения дифракционной решетки, образованной мезаканавками. Для достижения высокого значения коэффициента отражения дифракционной решетки количество мезакавок должно быть велико, что накладывает условие на величину периода при заданной длине резонатора лазера. Расчеты показывают, что должно выполняться условие:The ratio of the amplitudes E f (z), E b (z) will give the reflection coefficient of the diffraction grating formed by the meshes. To achieve a high value of the reflection coefficient of the diffraction grating, the number of mesoscopic deposits must be large, which imposes a condition on the value of the period for a given length of the laser cavity. Calculations show that the condition must be met:
L/Λ≥1,25·102,L / Λ≥1.25 · 10 2 ,
где L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;where L is the length of the optical Fabry-Perot resonator, microns;
Λ - период расположения мезаканавок, мкм.Λ is the period of the location of the mesanas, microns.
Коэффициент отражения дифракционной решетки представляет собой непрерывную функцию от длины волны. В случае реального инжекционного лазера с конечной длиной оптического резонатора Фабри-Перо и отражающими гранями на его торцах на систему дифференциальных уравнений накладываются граничные условия:The reflection coefficient of the diffraction grating is a continuous function of the wavelength. In the case of a real injection laser with a finite length of the Fabry-Perot optical resonator and reflecting faces at its ends, the boundary conditions are imposed on the system of differential equations:
Ef(z=a)=r1·Eb(z=a);E f (z = a) = r 1 · E b (z = a);
r2·Ef(z=b)=Eb(z=b);r 2 · E f (z = b) = E b (z = b);
где a - координата начала оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;where a is the coordinate of the beginning of the Fabry-Perot optical resonator, microns;
b - координата конца оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;b - coordinate of the end of the Fabry-Perot optical resonator, microns;
r1 - коэффициент отражения торцевой грани резонатора Фабри-Перо, расположенной в плоскости z=a (грань 5 на фиг.1);r 1 - reflection coefficient of the end face of the Fabry-Perot resonator located in the plane z = a (
r2 - коэффициент отражения торцевой грани резонатора Фабри-Перо, расположенной в плоскости z=b (грань 6 на фиг.1).r 2 is the reflection coefficient of the end face of the Fabry-Perot resonator located in the plane z = b (face 6 in figure 1).
При наложении данных граничных условий оптического резонатора Фабри-Перо на систему дифференциальных уравнений мы получим набор дискретных значений пороговых условий генерации лазерного излучения. Каждое дискретное значение характеризуется двумя параметрами (a, δ), When these boundary conditions of the Fabry-Perot optical resonator are superimposed on the system of differential equations, we obtain a set of discrete values of the threshold conditions for the generation of laser radiation. Each discrete value is characterized by two parameters (a, δ),
где a - пороговое модальное усиление, см-1;where a is the threshold modal gain, cm -1 ;
δ - сдвиг длины волны генерации излучения, относительно центральной длины волны излучения, определяемой соотношением λ=2·n·Λ/m, мкм.δ is the shift of the radiation generation wavelength, relative to the central radiation wavelength, defined by the relation λ = 2 · n · Λ / m, μm.
Из данного анализа следует, что существуют две моды резонатора с распределенной обратной связью, которые расположены на длинах волн Δ=2·n·Λ/m±δ с пороговым модальным усилением a1 и a2. В инжекционном лазере-прототипе kf=kb, то есть имеет место равный обмен энергиями между волнами, a1=a2, в результате в инжекционном лазере-прототипе генерируется два равнозначных пика лазерного излучения.From this analysis it follows that there are two resonator modes with distributed feedback, which are located at wavelengths Δ = 2 · n · Λ / m ± δ with threshold modal gain a 1 and a 2 . In the injection laser prototype k f = k b , that is, there is an equal energy exchange between the waves, a 1 = a 2 , as a result, two equivalent peaks of laser radiation are generated in the injection laser prototype.
В настоящем инжекционном лазере, имеющем несимметричную форму поперечного сечения мезаканавок (одна из граней мезаканавки перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки), достигается условие κf≠κb. При выполнении данного условия решением системы также является два дискретных значения, но при этом значения порогового усиления двух мод будут отличаться, то есть a1≠a2. При такой геометрии величина отражения бегущей волны в волноводе от каждой мезаканавки зависит от направления распространения излучения. В этом случае обмен энергиями между бегущими волнами различен, что объясняет приоритетную работу инжекционного лазера на одной из мод, так как усиление излучения будет происходить только на моде с меньшим пороговым усилением. Для достижения одномодового режима генерации лазера при высоких уровнях инжекции тока необходимо достичь существенного различия для порогового усиления различных мод (a1<<a2). При высоких значениях плотности тока накачки инжектированные носители могут начать индуцировано излучать через каналы лазерной рекомбинации, обладающие существенно более высокими пороговыми условиями по сравнению с основной модой лазера. Данный эффект будет проявляться тем позднее (при более высоком токе накачке), чем больше разница порогового модального усиления. Для определения оптимального соотношения между пороговыми условиями основной моды лазера и первой не основной моды были проведены эксперименты. В ходе эксперимента были изготовлены образцы полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью с несимметричными мезаканавками. Образцы отличались различным углом наклона наклонной грани мезаканавки к плоскости грани, расположенной перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо. Эксперимент продемонстрировал, что одномодовый режим работы лазера при плотности тока накачки 6 кА/см2 сохраняется при угле наклона 25-60 градусов, что соответствует согласно расчетам соотношению a2/a1≥1,5. При углах наклона менее 25 градусов и более 60 градусов наблюдается многомодовая лазерная генерации при плотности тока накачки менее 6 кА/см2.In the present injection laser, which has an asymmetric cross-sectional shape of the mesoscopic grooves (one of the faces of the mesoscopic groove is perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, and the second face is tilted outward at an angle of 25-60 degrees to the plane of the first face of the mesoscopic groove), the condition κ f ≠ κ b is achieved. When this condition is met, the solution of the system is also two discrete values, but the threshold amplification values of the two modes will differ, that is, a 1 ≠ a 2 . With this geometry, the magnitude of the reflection of the traveling wave in the waveguide from each mesoscopic groove depends on the direction of radiation propagation. In this case, the energy exchange between the traveling waves is different, which explains the priority operation of the injection laser on one of the modes, since the radiation will be amplified only on the mode with a lower threshold gain. To achieve single-mode laser generation at high levels of current injection, it is necessary to achieve a significant difference for the threshold amplification of different modes (a 1 << a 2 ). At high values of the pump current density, the injected carriers can begin to emit through the laser recombination channels, which have significantly higher threshold conditions compared to the main laser mode. This effect will be manifested the later (at a higher pump current), the greater the difference in threshold modal gain. To determine the optimal ratio between the threshold conditions of the fundamental mode of the laser and the first non-fundamental mode, experiments were performed. During the experiment, samples of semiconductor lasers with distributed feedback with asymmetric meshes were made. The samples differed in different angles of inclination of the oblique face of the mesotrope to the face plane located perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator. The experiment showed that the single-mode laser operation at a pump current density of 6 kA / cm 2 is maintained at an angle of inclination of 25-60 degrees, which corresponds to the ratio a2 / a1≥1.5 according to calculations. At tilt angles of less than 25 degrees and more than 60 degrees, multimode laser generation is observed at a pump current density of less than 6 kA / cm 2 .
Глубина мезаканавки может отличатся от толщины ограничивающего слоя p-типа проводимости. При этом глубина мезаканавки не может превышать расстояния от верхней границы ограничивающего слоя p-типа проводимости до активной области, проникновение мезаканавок в активную область катастрофически ухудшает излучающие свойства полупроводниковой гетероструктукры. Минимальная глубина мезаканавки (менее размера толщины верхнего ограничивающего слоя p-типа проводимости) ограничивается взаимодействием лазерного излучения с областью мезаканавок, которое определяется соотношением:The depth of the meso-groove may differ from the thickness of the bounding layer of the p-type conductivity. At the same time, the depth of the mesoscopic groove cannot exceed the distance from the upper boundary of the p-type confining layer to the active region; penetration of the mesoscopic grooves into the active region catastrophically degrades the radiating properties of the semiconductor heterostructure. The minimum depth of the mesoscopic groove (less than the thickness of the upper bounding layer of the p-type conductivity) is limited by the interaction of laser radiation with the region of the mesoscopic grooves, which is determined by the ratio:
где Г - гамма-фактор оптического ограничения электромагнитного поля в области мезаканавок;where G is the gamma factor of the optical limitation of the electromagnetic field in the region of the mezzanines;
U(x,y) - распределение электромагнитного поля в плоскости перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо;U (x, y) is the distribution of the electromagnetic field in the plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator;
Vg - область решетки в плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо, см2.Vg is the region of the lattice in a plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, cm 2 .
Для достижения эффективной работы инжекционного лазера с распределенной обратной связью должно выполняться условие, что Г≥0,015.To achieve the effective operation of the injection laser with distributed feedback, the condition must be satisfied that Г≥0.015.
Мезаканавки могут быть выполнены с помощью реактивного ионного травления или химического травления.Mesh grooves can be performed using reactive ion etching or chemical etching.
Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов A3B5.The heterostructure of the injection laser can be performed in the A 3 B 5 solid solution system.
Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, гдеThe inventive injection laser is illustrated by drawings, where
на фиг.1 схематически изображен в аксонометрии настоящий инжекционной лазер;figure 1 is a schematic perspective view of a true injection laser;
на фиг.2 показан настоящий инжекционный лазер в разрезе, в верхнем ограничивающем слое которого выполнены мезаканавки в соответствии с изобретением;figure 2 shows the present injection laser in the context, in the upper bounding layer of which made mesanine grooves in accordance with the invention;
на фиг.3 представлены спектры генерации различных полупроводниковых лазеров при непрерывном токе накачки, существенно превышающим порог генерации (кривая 1 - настоящий инжекционный лазер, кривая 2 - инжекционный лазер-прототип, кривая 3 - инжекционный лазер без распределенной обратной связи).figure 3 presents the emission spectra of various semiconductor lasers with a continuous pump current significantly exceeding the generation threshold (
Настоящий инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит волноводный слой 1, заключенный между верхним широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и нижним широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, которые являются одновременно ограничительными слоями, активную область 4 в волноводном слое 1, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптический резонатор Фабри-Перо, 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 9 усиления, боковые естественно сколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части 12 инжекционного лазера, мезаканавки 13 расположенные в области омического контакта 7 и перпендикулярные ему. Волноводный слой 1, верхний широкозонный эмиттер 2 p-типа проводимости и нижний широкозонный эмиттер 3 n-типа проводимости, которые являются одновременно ограничительными слоями, активная область 4 в волноводном слое 1, состоящая по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, составляют полупроводниковую гетероструктуру 14. Мезаканавки 13 в поперечном сечении (см. фиг.2) выполнены в форме клина. Одна из граней, например грань 15, перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань 16 наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани 15 мезаканавки 13. Мезаканавки 13 могут иметь длину, равную или меньшую ширины омического контакта 7, а глубину, по меньшей мере равную толщине верхнего широкозонного эмиттера 2 p-типа проводимости. Мезаканавки 13 эквидистантно расположены с периодом Λ, определяемым из соотношений:The present injection laser (see Fig. 1) contains a
Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов A3B5.The heterostructure of the injection laser can be performed in the A 3 B 5 solid solution system.
Настоящий инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый омический контакт 7 инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры 14, 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 5 (зеркало) с нанесенным просветляющим покрытием выходит лазерное излучение моды оптического резонатора Фабри-Перо с распределенной обратной связью. Мощность выходящего излучения зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру 14 тока.The present injection laser operates as follows. An electric current is passed through a strip ohmic contact 7 of the injection laser (see FIG. 1) in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure 14, and the operation mode of the injection laser (laser diode) corresponds to the forward bias of the pn junction. When the current passed through the injection laser is exceeded, the threshold value is transmitted through a naturally cleaved face 5 (mirror) with an antireflection coating and the laser radiation of the Fabry-Perot optical resonator mode with distributed feedback comes out. The power of the output radiation depends on the magnitude of the current transmitted through the laser heterostructure 14.
Излучение, распространяющееся в волноводном слое 1, отражается от мезаканавок 13, при этом интерференционное усиление испытывает только излучение с длинной волны, удовлетворяющей условию λ=2·n·Λ/m+δ или λ=2·n·Λ/m-δ (в зависимости от относительного расположения наклонной грани 16 мезаканавки 13 и грани 15, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо и параллельной торцевой грани 5 с просветляющим покрытием резонатора Фабри-Перо (см. фиг.2). Излучения на остальных длинах волн не усиливаются в полупроводниковой гетероструктуре, что ведет к работе настоящего инжекционного лазера в узком стабильном спектре.The radiation propagating in the
Пример 1. Были проведены сравнительные испытания инжекционного лазера без распределенной обратной связи, известного инжекционного лазера с распределенной обратной связью, имевшего мезаканавки с поперечным сечением симметричной формы, и настоящего инжекционного лазера с распределенной обратной связью, имевшего мезаканавки с поперечным сечением несимметричной формы. С этой целью был изготовлен известный инжекционный лазер, включающий полупроводниковую гетероструктуру, содержащую волноводный слой GaAs толщиной 0,8 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 In0.28Ga0.72As толщиной 8.3 нм; оптический резонатор Фабри-Перо длинной 3 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 400 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости. Через полосковый контакт инжекционного лазера в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой гетероструктуры, пропускали непрерывный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. Для инжекционного лазера без распределенной обратной связи спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 3). Известный инжекционный лазер-прототип с распределенной обратной связью отличался от инжекционного лазера без распределенной обратной связи тем, что в слое широкозонного эмиттера Al0.3Ga0.7As p-типа проводимости были сформированы мезаканавки симметричной клиновидной формы, расположенные перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо. Грани мезаканавки были наклонены под углом 21 градусов к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Длина мезаканавки совпадала с шириной омического контакта и равнялась 100 мкм, ширина мезаканавки на поверхности гетероструктуры составляла 1,2 мкм, ширина мезаканавки вблизи границы волноводного и верхнего эмиттерного слоя составляла 0,1 мкм, глубина мезаканавки составляла 1,4 мкм. Расстояние между мезаканавками составляло 20 мкм. Геометрическая форма мезаканавок была симметрична, что обеспечивало одинаковый обмен между волнами, распространяющими в волноводном слое 1. Для известного инжекционного лазера-прототипа спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 2). Настоящий инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера-прототипа тем, что в слое широкозонного эмиттера Al0.3Ga0.7As p-типа проводимости были сформированы мезаканавки, имевшие в поперечном сечении несимметричную клиновидную форму. Одна грань мезаканавки была сформирована перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, другая грань была наклонена под углом 38° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Длина мезаканавки совпадала с шириной омического контакта и равнялась 100 мкм, ширина мезаканавки на поверхности гетероструктуры составляла 1,2 мкм, ширина мезаканавки вблизи границы волноводного и верхнего эмиттерного слоя составляла 0,1 мкм, глубина мезаканавки составляла 1,4 мкм. Расстояние между мезаканавками составляло 20 мкм. Для настоящего инжекционного лазера спектр генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение, показан на фиг.3 (кривая 1). Ширина спектра инжекционного лазера без распределенной обратной связи на полувысоте интенсивности составляла 5 нм. Спектр инжекционного лазера-прототипа с распределенной обратной связью, образованной мезаканавками симметричной формы, обладал двумя пиками генерации. Ширина каждого пика на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм, расстояние между пика составляет порядка 1 нм. Спектр настоящего лазера с распределенной обратной связью, образованной мезаканавками несимметричной формы, обладает одним пиком генерации. Ширина пика на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм. Таким образом, настоящий инжекционный лазер имеет узкий стабильный спектр излучения с одним пиком генерации.Example 1. Comparative tests were carried out of an injection laser without distributed feedback, a known injection laser with distributed feedback, which had mesoscopic grooves with a symmetrical cross-section, and a real injection laser with distributed feedback, which had mesan grooves with a asymmetric cross-section. For this purpose was made known injection laser comprising a semiconductor heterostructure comprising a waveguide layer of
Пример 2. Был изготовлен настоящий инжекционный лазер, отличающийся от инжекционного лазера, описанного в примере 1, тем, что проводимости были сформированы мезаканавки, у которых одна грань располагалась перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, а другая грань была наклонена под углом 25° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Спектр лазера, представленного в примере 2, содержал 1 пик генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение. Ширина пика генерации на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм.Example 2. A real injection laser was made, which differs from the injection laser described in Example 1 in that the conductivity was formed by meshes, in which one face was perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, and the other face was tilted at an angle of 25 ° to a plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator. The laser spectrum shown in Example 2 contained 1 lasing peak at a pump current ten times the threshold value. The width of the lasing peak at half maximum intensity was 0.5 nm.
Пример 3. Был изготовлен настоящий инжекционный лазер, отличающийся от инжекционного лазера, описанного в примере 1, тем, что проводимости были сформированы мезаканавки, у которых одна грань располагалась перпендикулярно оси оптического резонатора Фабри-Перо, а другая грань была наклонена под углом 60° к плоскости, перпендикулярной оси оптического резонатора Фабри-Перо. Спектр лазера, представленного в примере 3, содержал 1 пик генерации при токе накачки, в десять раз превышающем пороговое значение. Ширина пика генерации на полувысоте интенсивности составляла 0,5 нм.Example 3. A real injection laser was made, which differs from the injection laser described in Example 1 in that mesoscanules were formed in which one face was perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator and the other face was tilted at an angle of 60 ° to a plane perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator. The laser spectrum shown in Example 3 contained 1 lasing peak at a pump current ten times the threshold value. The width of the lasing peak at half maximum intensity was 0.5 nm.
Claims (4)
где Λ - период расположения мезаканавок, мкм;
m - целое положительное число;
λ - длина волны лазерного излучения, мкм;
n - эффективный показатель преломления волноводного слоя;
L - длина оптического резонатора Фабри-Перо, мкм;
при этом мезаканавки в поперечном сечении выполнены в форме клина, одна из граней которого перпендикулярна оси оптического резонатора Фабри-Перо, а вторая грань наклонена наружу под углом 25-60 градусов к плоскости первой грани мезаканавки.1. An injection laser comprising a semiconductor heterostructure containing a waveguide layer enclosed between the upper and lower wide-band emitters, respectively, of p- and n-type conductivity, which are simultaneously boundary layers, with an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry-Perot resonator and a strip ohmic contact, under which the injection region is located, and in the upper p-type emitter in the ohmic contact region, mesak Navki length equal to or less than the width of the ohmic contact, and equidistantly arranged with the period determined from the relations:
where Λ is the period of the location of the mesanas, microns;
m is a positive integer;
λ is the wavelength of the laser radiation, microns;
n is the effective refractive index of the waveguide layer;
L is the length of the Fabry-Perot optical resonator, microns;
in this case, the meso-grooves in the cross section are made in the form of a wedge, one of the faces of which is perpendicular to the axis of the Fabry-Perot optical resonator, and the second face is tilted outward at an angle of 25-60 degrees to the plane of the first face of the meso-groove.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013135893/28A RU2549553C2 (en) | 2013-07-30 | 2013-07-30 | Injection laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013135893/28A RU2549553C2 (en) | 2013-07-30 | 2013-07-30 | Injection laser |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013135893A RU2013135893A (en) | 2015-02-10 |
RU2549553C2 true RU2549553C2 (en) | 2015-04-27 |
Family
ID=53281598
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013135893/28A RU2549553C2 (en) | 2013-07-30 | 2013-07-30 | Injection laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2549553C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU184264U1 (en) * | 2018-05-04 | 2018-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | INJECTION LASER WITH SWITCHABLE GENERATION SPECTRUM |
RU2685434C1 (en) * | 2018-02-05 | 2019-04-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Injection laser |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2109382C1 (en) * | 1996-08-19 | 1998-04-20 | Швейкин Василий Иванович | Semiconductor laser |
US6107112A (en) * | 1994-09-28 | 2000-08-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Distributed feedback semiconductor laser and method for producing the same |
US20020061044A1 (en) * | 2000-10-12 | 2002-05-23 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Semiconductor laser device with a current non-injection region near a resonator end face, and fabrication method thereof |
RU2230411C2 (en) * | 2002-04-16 | 2004-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им.М.Ф.Стельмаха | Injection laser |
RU2309501C1 (en) * | 2006-09-06 | 2007-10-27 | Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" | Semiconductor injection laser |
EP2302747A1 (en) * | 2008-06-06 | 2011-03-30 | General Nano Optics Limited | Diode laser, integral diode laser and an integral semiconductor optical amplifier |
-
2013
- 2013-07-30 RU RU2013135893/28A patent/RU2549553C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6107112A (en) * | 1994-09-28 | 2000-08-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Distributed feedback semiconductor laser and method for producing the same |
RU2109382C1 (en) * | 1996-08-19 | 1998-04-20 | Швейкин Василий Иванович | Semiconductor laser |
US20020061044A1 (en) * | 2000-10-12 | 2002-05-23 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Semiconductor laser device with a current non-injection region near a resonator end face, and fabrication method thereof |
RU2230411C2 (en) * | 2002-04-16 | 2004-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им.М.Ф.Стельмаха | Injection laser |
RU2309501C1 (en) * | 2006-09-06 | 2007-10-27 | Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" | Semiconductor injection laser |
EP2302747A1 (en) * | 2008-06-06 | 2011-03-30 | General Nano Optics Limited | Diode laser, integral diode laser and an integral semiconductor optical amplifier |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685434C1 (en) * | 2018-02-05 | 2019-04-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Injection laser |
RU184264U1 (en) * | 2018-05-04 | 2018-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | INJECTION LASER WITH SWITCHABLE GENERATION SPECTRUM |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013135893A (en) | 2015-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3457506B1 (en) | Surface emitting quantum cascade laser | |
US7450623B2 (en) | Wavelength locked laser including integrated wavelength selecting total internal reflection (TIR) structure | |
JP5374772B2 (en) | Optoelectronic device and manufacturing method thereof | |
US6996148B2 (en) | Semiconductor laser based on the effect of photonic band gap crystal-mediated filtration of higher modes of laser radiation and method of making same | |
JP6559000B2 (en) | Quantum cascade laser | |
US7586970B2 (en) | High efficiency partial distributed feedback (p-DFB) laser | |
CN110890690B (en) | Semiconductor laser coherent array and preparation method thereof | |
CN109861078B (en) | Surface emitting laser and surface emitting laser array | |
US10931085B2 (en) | Super structure grating and tunable laser | |
JP2017050307A (en) | Quantum cascade laser | |
Patchell et al. | Specifying the wavelength and temperature tuning range of a Fabry-Perot laser containing refractive index perturbations | |
US20070091953A1 (en) | Light-emitting diode with a narrow beam divergence based on the effect of photonic band crystal-mediated filtration of high-order optical modes | |
US9742151B1 (en) | Terahertz quantum cascade lasers | |
US20060034576A1 (en) | Superluminescent diodes having high output power and reduced internal reflections | |
RU2549553C2 (en) | Injection laser | |
JP6895903B2 (en) | Semiconductor laser device, diffraction grating structure, and diffraction grating | |
JP2006515109A (en) | Semiconductor laser | |
Luk'yanov et al. | Lasers with distributed feedback | |
CN115411612A (en) | Narrow linewidth semiconductor laser and preparation method thereof | |
RU2443044C1 (en) | Injection laser | |
Gauthier-Lafaye et al. | Highly monomode W1 waveguide square lattice photonic crystal lasers | |
RU2259620C1 (en) | Injection laser | |
US6546032B1 (en) | Semiconductor laser apparatus | |
Ledentsov et al. | Novel approaches to semiconductor lasers | |
RU2361343C2 (en) | Impulse injection laser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180731 |