RU2691164C1 - Pulse injection laser - Google Patents
Pulse injection laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691164C1 RU2691164C1 RU2018110904A RU2018110904A RU2691164C1 RU 2691164 C1 RU2691164 C1 RU 2691164C1 RU 2018110904 A RU2018110904 A RU 2018110904A RU 2018110904 A RU2018110904 A RU 2018110904A RU 2691164 C1 RU2691164 C1 RU 2691164C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- layer
- thickness
- active region
- type conductivity
- Prior art date
Links
- 238000002347 injection Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000007924 injection Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к полупроводниковым лазерам, и может быть использовано при создании мощных импульсных полупроводниковых лазеров для накачки нелинейных кристаллов, волоконных усилителей и твердотельных лазеров.The invention relates to quantum electronics, and more specifically to semiconductor lasers, and can be used to create high-power pulsed semiconductor lasers for pumping nonlinear crystals, fiber amplifiers and solid-state lasers.
При выборе конструкции мощных полупроводниковых лазеров существенное внимание уделяется вопросам получения высоких значений выходной оптической мощности, высокой дифференциальной токовой эффективности и спектральной однородности во всех режимах токовой накачки. Такие лазеры могут быть получены только на основе гетероструктур с низкими внутренними оптическими потерями, поэтому минимизация внутренних оптических потерь является важнейшим условием для создания мощных полупроводниковых лазеров. Наиболее перспективными для этой цели оказались квантово-размерные гетероструктуры раздельного ограничения (ДГС РО).When choosing the design of high-power semiconductor lasers, considerable attention is paid to the issues of obtaining high values of the output optical power, high differential current efficiency and spectral homogeneity in all current-pump modes. Such lasers can be obtained only on the basis of heterostructures with low internal optical losses; therefore, minimizing the internal optical losses is the most important condition for creating high-power semiconductor lasers. The most promising for this purpose were the quantum-size heterostructures of separate constraints (DGS PO).
Известен импульсный инжекционный лазер (см. заявка US 20130287057, МПК H01S 5/20, опубликована 31.10.2013), содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, состоящую из первого ограничительного слоя n-типа проводимости, первого волноводного слоя n-типа проводимости, прилегающего к первому ограничительному слою, активного слоя, примыкающего к первому волноводному слою, второго волноводного слоя р-типа проводимости, прилегающего к активному слою, второго ограничительного слоя р-типа проводимости, прилегающего ко второму волноводному слою. При этом сумма толщин первого волноводного слоя, активного слоя и второго волноводного слоя больше 1 мкм, а толщина второго волноводного слоя меньше 150 нм. Кроме того, активный слой, первый ограничительный слой, второй ограничительный слой, первый волноводный слой и второй волноводный слой таковы, что максимум интенсивности фундаментальной моды находится в области вне активного слоя, а разница показателей преломления первого волноводного слоя и первого ограничительного слоя лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01. Известный инжекционный лазер имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по первому волноводному слою. Малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем обеспечивает утекание мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счет чего моды высокого порядка не участвуют в лазерной генерации. Расширение волновода позволяет сузить диаграмму направленности лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до величин менее 50 градусов (ширина пучка, содержащая 95% оптической мощности).Known pulsed injection laser (see application US 20130287057, IPC
Основным недостатком известного инжекционного лазера являются высокие оптические потери в эмиттерных областях, что существенно ограничивает оптическую эффективность при больших токах накачки.The main disadvantage of the known injection laser is the high optical loss in the emitter regions, which significantly limits the optical efficiency at high pump currents.
Известен импульсный инжекционный лазер (см. патент RU 2361343, МПК H01S 5/32, опубликован 10.07.2009) содержащий гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активную область образует объемный слой полупроводникового материала -GaAs, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода -Al0,3Ga0,7As, а толщина достигает 1200 . Повышение импульсной оптической мощности импульсного инжекционного лазера достигается за счет увеличения толщины активной области.Known pulsed injection laser (see patent RU 2361343, IPC H01S 5/32, published 10.07.2009) containing a heterogeneous structure of a separate limitation, including a multimode waveguide, the restrictive layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, active the region whose location in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation - factors of optical limitation for the active region of the zero mode and the mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively, optical faces, ohmic contacts and optical resonator. The active region forms a bulk layer of a GaAs semiconductor material, whose band gap is less than the band gap width of Al- 0.3 0.3 Ga 0.7 As and the thickness reaches 1200 . An increase in the pulsed optical power of a pulsed injection laser is achieved by increasing the thickness of the active region.
Известный импульсный инжекционный лазер не может быть использован с активной областью на основе напряженных квантово-размерных эпитаксиальных слоев. В таких лазерах из-за несоответствия параметров решетки материалов волноводной и активной областей толщина активной области ограничена критической толщиной слоя, не превышающего 100 .The known pulsed injection laser cannot be used with an active region based on strained quantum-size epitaxial layers. In such lasers, due to the inconsistency of the lattice parameters of the materials in the waveguide and active regions, the thickness of the active region is limited to a critical layer thickness not exceeding 100 .
Известен импульсный инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношениюKnown pulsed injection laser (see patent RU 2259620, IPC H01S 5/32, published 27.08.2005), which coincides with this decision on the largest number of essential features and adopted for the prototype. The laser prototype contains a heterostructure of a separate limitation, including a multimode waveguide, the limiting layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, the active region consisting of at least one quantum-size active layer, whose location is the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation
где - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно,Where - optical limiting factors for the active region of the zero mode and the mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively,
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. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости выполнена толщиной dобщ≤Ln, где Ln - длина диффузии электронов, мкм, а расстояние от активной области до эмиттера р-типа проводимости не превышают длину диффузии дырок в волноводе. Эмиттерные области являются эффективными инжекторами неравновесных носителей заряда в активную область и одновременно оптическими ограничителями лазерного излучения в волноводных областях. Основная функция слоев оптических ограничителей - удерживать лазерное излучение в волноводных областях. За счет увеличения толщины волновода, при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттеров, и благодаря ассиметричному положению активной области в волноводе, при условии , при котором моды высших порядков подавлены, а пороговое условие выполняется только для нулевой моды, внутренние оптические потери достигают низких значений, что приводит к росту оптической мощности лазерного излучения.optical faces, ohmic contacts and optical resonator. The active region is located in the additional layer, the refractive index of which is larger than the waveguide's refractive index, and the thickness and location in the waveguide are determined from the condition for the above relation to be met. The waveguide region from the emitter n-type conductivity is formed thick commonly d ≤L n, wherein L n - diffusion length of electrons microns, and the distance from the active region to the emitter of p-type conductivity not greater than the diffusion length of holes in the waveguide. The emitter regions are effective injectors of nonequilibrium charge carriers into the active region and simultaneously optical limiters of laser radiation in waveguide regions. The main function of the layers of optical stops is to keep the laser radiation in the waveguide regions. By increasing the thickness of the waveguide, while maintaining the difference between the refractive indices of the waveguide and the emitters, and due to the asymmetric position of the active region in the waveguide, provided in which higher-order modes are suppressed, and the threshold condition is satisfied only for the zero mode, the internal optical loss reaches low values, which leads to an increase in the optical power of the laser radiation.
В импульсных режимах генерации инжекционного лазера-прототипа, в отсутствии эффектов тепловой деградации, токовая зависимость генерируемой мощности сопровождается насыщением интенсивности на основной длине волны излучения и расширением спектра в коротковолновую область.In the pulsed generation modes of the injection laser of the prototype, in the absence of effects of thermal degradation, the current dependence of the generated power is accompanied by saturation of the intensity at the fundamental wavelength of radiation and expansion of the spectrum to the shortwave region.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка импульсного инжекционного лазера, который бы имел увеличенную максимальную пиковую мощность при одновременном снижении ширины спектра лазерного излучения.The present invention was the development of a pulsed injection laser, which would have increased the maximum peak power while reducing the width of the spectrum of laser radiation.
Поставленная задача решается тем, что импульсный инжекционный лазер содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую асимметричный многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n- типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости выполнена толщиной dобщ≤Ln, где Ln - диффузионная длина электронов, мкм, а расположение активной области в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:The task is solved by the fact that a pulsed injection laser contains a heterogeneous structure of a separate limitation, including an asymmetric multimode waveguide, the limiting layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, the active region consisting of at least one quantum size of the active layer, optical faces, ohmic contacts and optical resonator. The waveguide region on the side of the emitter of the n-type conductivity is made with the thickness d total ≤L n , where L n is the diffusion length of electrons, μm, and the location of the active region in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation:
где - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды т (m=1, 2, 3…) соответственно. Волноводная область со стороны эмиттера n-типа проводимости состоит из двух слоев полупроводникового материала, имеющих одинаковый показатель преломления, при этом, первый слой, примыкающий к активной области, имеет уровень легирования N1, см-3, и толщину d1, мкм, удовлетворяющие соотношениям:Where - optical limiting factors for the active region of the zero mode and the mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively. The waveguide region on the side of the emitter of the n-type conductivity consists of two layers of semiconductor material having the same refractive index, while the first layer adjacent to the active region has a doping level of N 1 , cm -3 , and a thickness d 1 , μm, ratios:
где εs - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала волноводной области, Ф⋅см-1;where ε s is the dielectric constant of the semiconductor material of the waveguide region, Ф⋅cm -1 ;
Δф - понижение барьера изотипного гетероперехода с учетом электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров на интерфейсной границе, В;Δf is the lowering of the barrier of the isotype heterojunction taking into account the electric field of the space charge of positively charged donors at the interface boundary, B;
q - заряд электрона, Кл;q is the electron charge, C;
Vbi - величина потенциального барьера изотипного гетероперехода, В;V bi is the potential barrier of the isotype heterojunction, B;
dобщ - общая толщина волноводной области со стороны эмиттера n-типа проводимости, мкм;d total - the total thickness of the waveguide region from the side of the emitter of n-type conductivity, μm;
а второй слой, примыкающий к эмиттеру, имеет уровень легирования не более фонового уровня легирования и толщину d2 = (dобщ-d1).and the second layer adjacent to the emitter has a doping level of no more than the background doping level and a thickness of d 2 = (d total -d 1 ).
В настоящем техническом решении увеличение максимальной пиковой мощности при одновременном снижении ширины спектра лазерного излучения в импульсном режиме генерации стало возможным благодаря понижению потенциального барьера на интерфейсной границе волновод-активная область за счет электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров.In the present technical solution, an increase in the maximum peak power while simultaneously reducing the width of the laser radiation spectrum in a pulsed generation mode was made possible by lowering the potential barrier at the interface waveguide-active region due to the electric field of the space charge of positively charged donors.
Зависимость высоты энергетического барьера от электрического поля известна и описывается эффектом Шоттки (см. С.Зи. - Физика полупроводниковых приборов. - Т. 1, Москва, "Мир", с. 262-266, 1984).The dependence of the height of the energy barrier on the electric field is known and described by the Schottky effect (see S. Zi. - Physics of semiconductor devices. - T. 1, Moscow, Mir, p. 262-266, 1984).
Понижение барьера на величину Δф и расстояние xm, на котором величина потенциала достигает максимума, определяются соотношениями:Lowering the barrier by the value of Δf and the distance x m, at which the potential value reaches a maximum, is determined by the relations:
где Е - величина электрического поля, В/см;where E is the magnitude of the electric field, V / cm;
Величина электрического поля объемного заряда положительно заряженных доноров может быть вычислена, для случая резкого изменения концентрации примесей на интерфейсной границе, как:The magnitude of the electric field of the space charge of positively charged donors can be calculated, for the case of an abrupt change in the concentration of impurities at the interface, as:
где Vbi-величина потенциального барьера изотипного гетероперехода, В;where V bi is the value of the potential barrier of the isotype heterojunction, B;
W - толщина слоя объемного заряда, см.W is the thickness of the space charge layer, see
С использованием зависимостей (4), (6) и (7) была определена нижняя граница концентрации доноров При определении верхней границы концентрации доноров учитывали технологические возможности максимального уровня легирования квантово-размерных слоев -5⋅1018 см-3. Вне определенного выше интервала концентраций доноров понижение потенциального барьера является незначительным, что приводит к отсутствию положительного эффекта.Using dependencies (4), (6) and (7), the lower limit of donor concentration was determined When determining the upper limit of donor concentration, the technological capabilities of the maximum doping level of quantum-size layers -5⋅10 18 cm -3 were taken into account. Beyond the range of donor concentrations defined above, the lowering of the potential barrier is insignificant, which leads to the absence of a positive effect.
С использованием зависимостей (4) и (5) была определена нижняя граница толщины d1 первого слоя, примыкающего к активной области:Using dependencies (4) and (5), the lower limit of the thickness d 1 of the first layer adjacent to the active region was determined:
Максимальная толщина d1 слоя ограничена величиной 0,03⋅dобщ, при которой удается сохранить внутренние оптические потери на уровне 1 см-1. Дальнейшее увеличение толщины d1 нецелесообразно, так как это ведет к резкому росту внутренних оптических потерь и, соответственно, к падению мощности выходящего излучения.The maximum thickness d 1 of the layer is limited to 0.03⋅d total , at which it is possible to maintain the internal optical loss at the level of 1 cm -1 . A further increase in the thickness d 1 is inexpedient, since this leads to a sharp increase in the internal optical loss and, accordingly, to a drop in the power of the outgoing radiation.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:The present invention is illustrated in the drawing, where:
на фиг. 1 схематически показан в разрезе настоящий импульсный инжекционный лазер;in fig. 1 is a schematic sectional view of a real pulsed injection laser;
на фиг. 2 приведена энергетическая диаграмма зоны проводимости (Ec em - ширина запрещенной зоны эмиттера n-типа проводимости, эВ; EC OCL - ширина запрещенной зоны волноводной области, эВ; EC QW - ширина запрещенной зоны активной области, эВ);in fig. 2 shows the energy diagram of the conduction band (E c em is the band gap of the emitter of the n-type conductivity, eV; E C OCL is the band gap of the waveguide region, eV; E C QW is the band gap of the active region, eV);
на фиг. 3 показан профиль легирования интерфейсной границы волноводной области со стороны широкозонного эмиттера n-типа проводимости и активной области импульсного полупроводникового лазера (N - величина легирования, см-3; dQW - толщина активной области, мкм.).in fig. 3 shows the doping profile of the interface boundary of the waveguide region on the side of a wide-gap n-type emitter and active region of a pulsed semiconductor laser (N is the doping amount, cm -3 ; d QW is the active region thickness, μm.).
Импульсный инжекционный лазер (см. фиг. 1) в общем случае включает в себя следующие элементы: подложку 1 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 2, а с другой стороны подложки сформирована гетероструктура, включающая: легированный примесью n-типа слой 3 оптического ограничения (широкозонный эмиттер n-типа проводимости), преднамеренно не легированный слой 4 толщиной d2 волноводной области, примыкающий к слою 3 эмиттера n-типа проводимости, слой 5 толщиной d1 легирован до уровня N1, квантово-размерный преднамеренно не легированный слой активной области 6, преднамеренно не легированный слой 7 волноводной области, примыкающей к эмиттеру 8 p-типа проводимости (слой оптического ограничения), легированный примесью p-типа, контактный слой 9, легированный примесью p-типа, омический контакт 10. На сколотую грань 11 нанесены просветляющие (коэффициент отражения R=5%) диэлектрические покрытия 12, на сколотую грань 13 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия 14. Грани 11 и 13 образуют резонатор Фабри-Перо.A pulsed injection laser (see Fig. 1) generally includes the following elements: n-type
Импульсный инжекционный лазер работает следующим образом. Через омические контакты 2 и 10 пропускают импульсный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению р-n перехода. Для подавления перегрева активной области длительность импульса менее 100 нс, а частота менее 10 кГц. При превышении порогового значения тока, пропускаемого через инжекционный лазер, через просветляющее покрытие 12, нанесенное на грань 11, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока.Pulsed injection laser operates as follows. A pulsed electric current is passed through the
Пример 1. В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1002 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры активная область была выполнена из слоя In0,35Ga0,65As толщиной 100 с шириной запрещенной зоны 1,21 эВ (показатель преломления n=3,64), волноводные слои - из твердого раствора Al0,3Ga0,7As (n=3,419), эмиттерные слои - из твердого раствора Al0,5Ga0,5As (n=3,34). Была выбрана предварительная толщина волноводной области 1,7 мкм (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовый на основании решения волнового уравнения). Для Al0,3Ga0,7As волновода с концентрацией электронов n=1015 см-3 длина диффузии электронов - Ln=9 мкм и дырок - Lp=2 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае, когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 1,3 мкм от широкозонного эмиттера n-типа и, соответственно, на расстоянии 0,4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство выполняется, и эти расстояния меньше длины диффузии дырок и электронов. Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны которой расположен легированный кремнием до степени N=1018 см-3 n-типа слой оптического ограничения, выполненный из твердого раствора Al0,5Ga0,5As толщиной 2 мкм. Далее расположены слои волноводной области, выполненной из Al0,3Ga0,7As толщиной d2=1,3 мкм и d1=70 с концентрацией легирования N=1015 см-3 и N1=4⋅1018 см-3, соответственно, далее располжена активная область, выполненная из In0,3Ga0,7As толщиной 100 с концентрацией легирования N=1015 см-3, далее расположен слой волноводной области, выполненной из Al0,3Ga0,7As толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирования N=1015 см-3, далее расположены: легированный магнием до степени Р=1018 см-3 р-слой оптического ограничения, выполненный из твердого раствора Al0,3Ga0,5As толщиной 2 мкм, контактный слой, выполненный из GaAs толщиной 0,2 мкм, легированный магнием до степени Р=1018 см-3, и омический контакт. На одну из сколотых граней нанесены просветляющие (слои SiO2, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань нанесены отражающие (три пары слоев из SiO2+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 3 мм. Для такого лазерного диода в импульсном режиме генерации при плотности тока J=50 кА/см2 (длительность импульса 100нс, а частота 10кГц) мощность излучения достигает 119 Вт, ширина спектра излучения составляет 10 нм, что свидетельствует о двукратном увеличении абсолютного значения мощности и более чем шестикратном увеличении мощности на основной длине волны излучения по сравнению с лазерами, выполненными на основе конструкции, взятой за прототип.Example 1. The following compositions of the heterostructure layers were selected as the base (based on the selected radiation wavelength λ = 1002 nm) The active region was made of an In5 layer of 0.35 Ga 0.65 As with a thickness of 100 with a band gap of 1.21 eV (refractive index n = 3.64), waveguide layers from Al 0 , 3 Ga 0.7 As solid solution (n = 3.419), emitter layers from Al 0.5 Ga solid solution 0.5 As (n = 3.34). A preliminary thickness of the waveguide region of 1.7 μm was chosen (based on the requirements for the waveguide - it should be multimode based on the solution of the wave equation). For Al 0 , 3 Ga 0.7 As a waveguide with an electron concentration of n = 10 15 cm -3 the length of the diffusion of electrons - L n = 9 μm and holes - L p = 2 μm. For selected values of the parameters of the laser heterostructure, the wave equation was solved for different positions of the active region in the waveguide. From the solutions found, field distributions were obtained for all modes. Based on the obtained distributions, the values of the optical limitation factors of the active region were determined for all modes in each of the possible positions of the additional layer. From the obtained dependencies, it was determined that in the case when the active region (its center) is located at a distance of 1.3 μm from the n-type wide-gap emitter and, accordingly, at a distance of 0.4 μm from the wide-gap emitter of the p-type conductivity, the inequality is fulfilled, and these distances are less than the diffusion length of holes and electrons. Thus, we have the following laser heterostructure design: a GaAs substrate doped with an n-type impurity, on one side of which a silicon-doped optical confinement layer is located to the degree N = 10 18 cm -3 , made of Al 0.5 solid solution Ga 0.5 As 2 microns thick. Next are the layers of the waveguide region, made of Al 0.3 Ga 0.7 As thick d 2 = 1.3 μm and d 1 = 70 with a doping concentration of N = 10 15 cm -3 and N 1 = 4⋅10 18 cm -3 , respectively, then the active region made of In 0.3 Ga 0.7 As thick 100 thick with a doping concentration of N = 10 15 cm -3 , then a waveguide region layer is made of Al 0.3 Ga 0.7 As thick 0.4 μm with a doping concentration N = 10 15 cm -3 , then there are: magnesium doped to degree P = 10 18 cm -3 p-optical limiting layer made of Al 0.3 Ga 0.5 As
Пример 2. В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=1500 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры: активная область была выполнена из слоя Al0,2Ga0,7In0,1As толщиной 100 с шириной запрещенной зоны 0,830 эВ (n=3,96), волноводные слои - из твердого раствора Al0,2Ga0,35In0,45As (n=3,72), эмиттерные слои - из твердого раствора InP (n=3,22). Была выбрана предварительная толщина волноводной области 1,7 мкм (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения). Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. Из полученных зависимостей было определено, что в случае, когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 1,3 мкм от широкозонного эмиттера n-типа и, соответственно, на расстоянии 0,4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство выполняется, и эти расстояния меньше длины диффузии дырок и электронов. Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка из InP, легированная примесью n-типа, на которой последовательно расположены легированный кремнием до степени N=1018 см-3 n-типа слой InP оптического ограничения толщиной 2 мкм, далее расположены слои волноводной области, выполненной из раствора Al0,2Ga0,35In0,45As, толщиной d2 = 1.3 мкм и d1 = 100 с концентрацией легирования N=1015см-3 и N1=3⋅1018 см-3, соответственно, далее расположена активная область, выполненная из Al0,2Ga0,7In0,1As толщиной 100 с концентрацией N=1015 см-3, затем слой волноводной области, примыкающей к эмиттеру р-типа проводимости, выполненной из Al0,2Ga0,35In0,45As толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирования N=1015 см-3, далее расположены: легированный цинком до степени Р=1018 см-3 р-слой оптического ограничения, выполненный из InP толщиной 2 мкм, контактный слой, выполненный из InGaAs толщиной 0,3 мкм, легированный магнием до степени Р=1018 см-3, и омический контакт. На одну из сколотых граней нанесены просветляющие (слои SiO2, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань нанесены отражающие (три пары слоев из SiO2+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляла 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляло 3 мм. Для такого лазерного диода в импульсном режиме генерации при плотности тока J=10 кА/см2 (длительность импульса 100 нc, а частота 10 кГц) мощность излучения достигала 20 Вт, ширина спектра излучения составляла 28 нм, что свидетельствует о трехкратном увеличении абсолютного значения мощности и более чем десятикратном увеличении мощности на основной длине волны излучения по сравнению с лазерами, выполненными на основе конструкции, взятой за прототип.Example 2. The following compositions of the heterostructure layers were selected as the base ones (based on the selected wavelength of radiation λ = 1500 nm): the active region was made of an Al 0.2 Ga 0.7 0.7 In 0.1 As layer with a thickness of 100 a bandgap 0.830 eV (n = 3,96), the waveguide layers - Al solid solution of 0, 2 Ga 0.35 In 0.45 As (n = 3.72), the emitter layers - of a solid solution InP (n = 3.22). A preliminary thickness of the waveguide region of 1.7 μm was chosen (based on the requirements for the waveguide - it should be multimode based on the solution of the wave equation). For selected values of the parameters of the laser heterostructure, the wave equation was solved for different positions of the active region in the waveguide. From the solutions found, field distributions were obtained for all modes. From the obtained dependencies, it was determined that in the case when the active region (its center) is located at a distance of 1.3 μm from the n-type wide-gap emitter and, accordingly, at a distance of 0.4 μm from the wide-gap emitter of the p-type conductivity, the inequality is fulfilled, and these distances are less than the diffusion length of holes and electrons. Thus, we have the following design of a laser heterostructure: an InP substrate doped with an n-type impurity, on which silicon-doped InP optical limiting
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018110904A RU2691164C1 (en) | 2018-03-27 | 2018-03-27 | Pulse injection laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018110904A RU2691164C1 (en) | 2018-03-27 | 2018-03-27 | Pulse injection laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2691164C1 true RU2691164C1 (en) | 2019-06-11 |
Family
ID=66947753
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018110904A RU2691164C1 (en) | 2018-03-27 | 2018-03-27 | Pulse injection laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2691164C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU213923U1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7064889B2 (en) * | 2002-05-17 | 2006-06-20 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Double-clad fiber lasers and amplifiers having long-period fiber gratings |
US20150180203A1 (en) * | 2010-03-03 | 2015-06-25 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element, semiconductor laser element, and method for manufacturing semiconductor optical element and semiconductor laser element, and method for manufacturing semiconductor laser module and semiconductor element |
RU2587097C1 (en) * | 2015-02-16 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Injection laser |
US9368939B2 (en) * | 2013-10-18 | 2016-06-14 | Soraa Laser Diode, Inc. | Manufacturable laser diode formed on C-plane gallium and nitrogen material |
-
2018
- 2018-03-27 RU RU2018110904A patent/RU2691164C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7064889B2 (en) * | 2002-05-17 | 2006-06-20 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Double-clad fiber lasers and amplifiers having long-period fiber gratings |
US20150180203A1 (en) * | 2010-03-03 | 2015-06-25 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element, semiconductor laser element, and method for manufacturing semiconductor optical element and semiconductor laser element, and method for manufacturing semiconductor laser module and semiconductor element |
US9368939B2 (en) * | 2013-10-18 | 2016-06-14 | Soraa Laser Diode, Inc. | Manufacturable laser diode formed on C-plane gallium and nitrogen material |
RU2587097C1 (en) * | 2015-02-16 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Injection laser |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU213923U1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Slipchenko et al. | Ultralow internal optical loss in separate-confinement quantum-well laser heterostructures | |
Williams et al. | Extremely low threshold current strained InGaAs/AlGaAs lasers by molecular beam epitaxy | |
US9184567B2 (en) | Quantum cascade laser | |
US10038308B2 (en) | Quantum cascade semiconductor laser | |
US7583714B2 (en) | Vertical cavity surface emitting semiconductor laser device | |
JP2003218454A (en) | Semiconductor laser structure | |
JP2008135786A (en) | High power semiconductor laser diode | |
KR100271674B1 (en) | Semiconuctor laser device | |
Pikhtin et al. | Internal optical loss in semiconductor lasers | |
US4416012A (en) | W-Guide buried heterostructure laser | |
US4280106A (en) | Striped substrate planar laser | |
Ettenberg | Mode Guiding In Symmetrical (AIGa) As-GaAs Heterojunction Lasers With Very Narrow Active Regions | |
RU2691164C1 (en) | Pulse injection laser | |
RU2611555C1 (en) | Semiconductor vertically-emitting laser with intracavity contacts | |
RU188629U1 (en) | HETEROSTRUCTURE OF VERTICAL-RADIATING LASER | |
RU2443044C1 (en) | Injection laser | |
US4383320A (en) | Positive index lateral waveguide semiconductor laser | |
US20230327405A1 (en) | Optical semiconductor device | |
RU2259620C1 (en) | Injection laser | |
Vinokurov et al. | A study of epitaxially stacked tunnel-junction semiconductor lasers grown by MOCVD | |
RU2361343C2 (en) | Impulse injection laser | |
Marzban et al. | Design of a waveguide-coupled GeSn disk laser | |
RU2444101C1 (en) | Injection laser | |
RU2646951C1 (en) | HETEROSTRUCTURE OF A HIGH-POWER SEMICONDUCTOR LASER WITH A SPECTRAL RANGE OF 1,400-1,600 nm | |
RU2587097C1 (en) | Injection laser |