полупроводниковый лазер с оптической накачкой
Классы МПК: | H01S3/0933 полупроводникового прибора, например светоизлучающего диода |
Автор(ы): | Чельный А.А. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество "Сигма-Плюс", Чельный Александр Александрович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-12-28 публикация патента:
10.11.1995 |
Использование: квантовая электроника, а именно конструкция полупроводниковых лазеров с оптической накачкой, применяемых в системах связи, измерительной технике, медицине и т. д. Сущность изобретения: полупроводниковый лазер с оптической накачкой на основе монолитной гетероструктуры, включающей светодиодную и лазерную структуры и структуру интерференционных зеркал, имеющих максимальный коэффициент отражения в диапазоне длин волн светодиода, причем лазерные структуры содержат различные конфигурации активной области. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 9 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9
Формула изобретения
1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ на основе гетероструктуры, включающей лазерную структуру с широкозонными слоями и активной областью, имеющей по крайней мере один квантово-размерный узкозонный слой, причем слои гетероструктуры выполнены с заданными толщинами и ширинами запрещенных зон, а также включающий полупроводниковый источник оптической накачки и по крайней мере одно отражающее зеркало, отличающийся тем, что в качестве источника оптической накачки выбран светодиод, светодиодная структура которого введена в гетероструктуру, а именно со стороны внешней плоскости одного из широкозонных слоев дополнительно введены по крайней мере один активный слой светодиодной структуры и по крайней мере один дополнительный широкозонный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости широкозонного слоя, помещенного с другой стороны активного слоя светодиодной структуры, причем ширина запрещенной зоны активного слоя светодиодной структуры менее ширины запрещенных зон широкозонных слоев гетероструктуры и более ширины запрещенной зоны активного слоя активной области лазерной структуры, к широкозонным слоям светодиодной структуры дополнительно введены омические контакты, а в гетероструктуре размещено по крайней мере одно зеркало, имеющее максимальный коэффициент отражения в диапазоне длин волн излучения светодиода, состоящее из последовательности интерференционных слоев, расположенных параллельно другим слоям гетероструктуры со стороны внешней плоскости одного из широкозонных слоев и изопериодичных периоду решетки этого слоя. 2. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой на основе гетероструктуры, включающей лазерную структуру с широкозонными слоями и активной областью, имеющей по крайней мере один квантово-размерный активный слой, причем слои гетероструктуры выполнены с заданными толщинами и их ширинами запрещенных зон, а также включающий полупроводниковый источник оптической накачки и по крайней мере одно отражающее зеркало, отличающийся тем, что в качестве источника оптической накачки выбран светодиод, светодиодная структура которого введена в гетероструктуру, а именно со стороны внешней плоскости одного из широкозонных слоев дополнительно введены по крайней мере один активный слой светодиодной структуры и по крайней мере один дополнительный широкозонный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости широкозонного слоя, помещенного с другой стороны активного слоя светодиодной структуры, причем ширина запрещенной зоны активного слоя светодиодной структуры менее ширины запрещенных зон широкозонных слоев гетероструктуры и более ширины запрещенной зоны активного слоя активной области лазерной структуры, к широкозонным слоям светодиодной структуры дополнительно введены омические контакты, при этом в активную область лазерной структуры дополнительно введен по крайней мере один промежуточный слой, помещенный по крайней мере с одной стороны активного слоя активной области лазерной структуры и имеющий ширину запрещенной зоны менее ширины запрещенных зон широкозонных слоев и более ширины запрещенной зоны активного слоя активной области лазерной структуры, а в гетероструктуре размещено по крайней мере одно зеркало, имеющее максимальный коэффициент отражения в диапазоне длин волн излучения светодиода, состоящее из последовательности интерференционных слоев, расположенных параллельно другим слоям гетероструктуры со стороны по крайней мере одного внешнего широкозонного слоя и изопериодичных периоду решетки этого слоя. 3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен одного типа проводимости с широкозонными слоями лазерной структуры и ширина его запрещенной зоны менее ширины запрещенной зоны активного слоя светодиодной структуры. 4. Лазер по п.2, отличающийся тем, что широкозонные слои выполнены p-типа проводимости, промежуточные слои n-типа проводимости и ширина их запрещенных зон превышает ширину запрещенной зоны активного слоя светодиодной структуры. 5. Лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что при наличие более одного квантово-размерного активного слоя активной области лазерной структуры толщина по крайней мере одного из них отлична от толщины других аналогичных активных слоев. 6. Лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что размер активной области лазерной структуры выбран не превышающим 10 мкм при выборе толщин ее широкозонных слоев в диапазоне 0,22 3 мкм, причем в направлении от светодиодной структуры на равных расстояниях ширина запрещенных зон ее широкозонных слоев вначале уменьшена, а затем увеличена на одну и ту же величину.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкции полупроводниковых лазеров с оптической накачкой, применяемых в системах связи, измерительной технике, медицине и т.д. Одним из основных факторов, ограничивающих применимость лазеров, является нестабильность их выходных параметров, в особенности при работе на различных длинах волн одновременно. Необходима стабилизация мощности излучения во времени, по длине волны. Известен полупроводниковый лазер с оптической накачкой на основе гетероструктуры, включающей широкозонные слои лазерной структуры, в активной области которой имеется, по крайней мере, один квантово-размерный узкозонный активный слой, причем заданы толщины слоев гетероструктуры и их ширина запрещенных зон, а также состоящий из полупроводникового источника оптической накачки и по крайней мере одного отражающего зеркала. В работе описана конструкция полупроводникового лазера, накачиваемого от внешнего автономного источника оптического излучения. Рассматривается накачка от источников двух видов. В одном случае от импульсного лазера на Ti:Al2O3 с длиной импульса 38 нс, в другом непрерывного полупроводникового лазера с длиной волны излучения![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/955.gif)
получить излучение на различных длинах волн одновременно, а именно при наличии более одного квантово-размерного активного слоя активной области лазерной структуры толщина, по крайней мере одного из них должна быть отлична от толщины других аналогичных активных слоев;
получить генерацию лазерного излучения с улучшенной расходимостью как на одной длине волны, так и на различных длинах волн, а именно при выборе размера активной области лазерной структуры не более 10 мкм и толщин ее широкозонных слоев в диапазоне (0,22.3) мкм, причем в направлении от светодиодной структуры на равных расстояниях ширина запрещенных зон ее широкозонных слоев вначале должна быть уменьшена, а затем увеличена на одну и ту же величину. На фиг.1 схематично изображен разрез полупроводникового лазера с оптической накачкой; на фиг.2 узел I активной области лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой в соответствии с первым вариантом; на фиг.3 энергетическая схема лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой в соответствии с первым вариантом; на фиг.4 узел I активной области лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой в соответствии со вторым вариантом; на фиг.5 энергетическая схема лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой в соответствии со вторым вариантом; на фиг.6 узел I активной области лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой с различной толщиной активных слоев; на фиг.7 энергетическая схема лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой с различной толщиной активных слоев; на фиг.8 узел I активной области лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой с градиентным волноводом; на фиг.9 энергетическая схема лазерной структуры полупроводникового лазера с оптической накачкой с градиентным волноводом. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой в соответствии с фиг.1 выполнен на основе гетероструктуры, размещенной на подложке 1 и состоит из последовательности слоев интерференционного зеркала 2, светодиодной структуры 3, включающей первый широкозонный эмиттерный слой 4, активный слой 5, второй широкозонный слой 6, в котором выполнена мезаполоска 7, барьерные слои 8 и контактный слой 9 лазерной структуры 10, включающей первый эмиттерный широкозонный слой 11, последовательность слоев активной области 12 и второй широкозонный эмиттерный слой 13, а также омических контактов 14 и 15, выполненных к контактному слою 9 и подложке 1. В светодиодной части гетероструктуры широкозонные эмиттерные слои 4 и 6 различного типа проводимости имеют ширину запрещенных зон E1g1 и E2g1, соответственно, которые могут быть равны, так и отличаться друг от друга. Активный слой имеет ширину запрещенной зоны E3g1. Соотношение ширины запрещенных зон эмиттерных и активного слоев должно быть таким, чтобы обеспечивалась эффективная инжекция в активную область и низкие утечки тока из активной области через гетеробарьер, т.е. выполнялось соотношение E1g1
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047230/8771.gif)
последовательности пассивных слоев 12.1, 12.2, 12.3 с шириной запрещенных зон E3пасg2, равных ширине запрещенных зон эмиттерных слоев и превышающих ширину запрещенной зоны активного слоя 5 светодиодной структуры, и активных слоев 12.4, 12.5, 12.6, 12.7, чередующихся с пассивными слоями 12.1, 12.2, 12.3 и имеющими ширину запрещенных зон E3ag2, выбранную меньшей ширины запрещенной зоны E3g1 активного слоя светодиодной структуры (см. фиг.2 и фиг. 3);
последовательности пассивного слоя 12.8 с шириной запрещенной зоны E3пасg2, промежуточного слоя 12.9 с шириной запрещенной зоны E3прg2, активного слоя 12.10 с шириной запрещенной зоны E3ag, промежуточного слоя 12.11 с шириной запрещенной зоны Е3прg2 и пассивного слоя 12.12 с шириной запрещенной зоны Е3пасg2, причем ширина запрещенных зон пассивных слоев обычно равны между собой и ширине запрещенных зон Е1g2 и E2g2 эмиттерных слоев 11.13 либо отличны от них, но превышают ширину запрещенных зон Е3g1, активного слоя 5 светодиодной структуры 3, ширина запрещенных зон Е3прg2 промежуточных слоев 12.9 и 12.11 может быть как меньше ширины запрещенной зоны Е3g1 активного слоя 5 (случай первый варианта два), так и больше (случай второй варианта 2), но всегда не превышающей ширину запрещенных зон эмиттерных слоев 11.13 и пассивных слоев 12.8, 12.12, ширина запрещенной зоны активного слоя 12.10 Е3аg2меньше ширины запрещенных зон Е3прg2 промежуточных слоев 12.9, 12.11 и меньше ширины запрещенной зоны Е3g1 активного слоя 5 (см.фиг.4 и 5). Многослойные интерференционные зеркала, обеспечивающие отражение светодиодного излучения, располагаются либо с обеих сторон светодиодной и лазерной частей, либо только с внешней стороны светодиодной части. Во втором случае граница свободная поверхность лазерной структуры воздух выполняет роль зеркала. Введенные интерференционные зеркала выполнены из множества слоев различных материалов, изопериодичных слоям гетероструктуры. Количество слоев интерференционных зеркал, их материалы, последовательность расположения, толщины взаимосвязаны с конфигурацией активной области лазерной части гетероструктуры при заданной мощности излучения светодиода. При определенном подборе в каждом отдельном случае можно получить наибольшую квантовую эффективность излучения. Подбор производят экспериментально, руководствуясь теоретическими расчетами. При приложении разности потенциалов к омическим контактам светодиодной структуры в p-n-переход инжектируются носители заряда, рекомбинируют в нем, образуя фотоны. Излучение светодиода, частично отражаясь от интерференционных зеркал, проходит через эмиттерные слои светодиодной и лазерной структур и поглощается в слоях, ширина запрещенных зон которых меньше ширины запрещенной зоны Е3g1 активного слоя 5 светодиодной структуры 3. Лазерное излучение генерируется в активных слоях активной области 12 лазерной структуры 10. Предложенная конструкция полупроводникового лазера с оптической накачкой позволяет создавать активную область лазерной части в конфигурациях (см. например, фиг. 6 и 7 и фиг.8 и 9), не реализуемых в инжекционных лазерах и поэтому регулирование модового и спектрального состава излучения возможно в более широких пределах. В случае градиентного волновода (см. фиг.8 и 9), поскольку не требуется протекания тока, толщина волновода может составлять несколько десятков микрон (до 10 мкм) и при расстоянии между активными областями, достаточными для оптического взаимодействия между ними, порядка 0,22.3 мкм, можно осуществить генерацию на одной продольной моде в волноводе гораздо большей толщины, чем в инжекционных лазерах, а, следовательно, уменьшить расходимость излучения и повысить выходную мощность лазера за счет уменьшения плотности светового потока на единицу площади зеркала, что уменьшает деградацию зеркал. П р и м е р 1. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой был выполнен на основе гетероструктуры со следующей последовательностью слоев. На подложке 1 n-типа проводимости расположены слои интерференционного зеркала 2 на основе пары Al0,7Ga0,3As Al0,12FGa0,88As, имеющего коэффициент отражения 98% на длине волны
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/955.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935-2t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
плотность порогового тока Jпор равна 3 кА/см2;
внешняя дифференциальная квантовая эффективность в обе стороны 2
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/951.gif)
длина волны излучения
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/955.gif)
характеристическая температура То равна 210оК. П р и м е р 2. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой был выполнен на основе гетероструктуры, описываемой в примере 1 с дополнительно введенным вторым интерференционным зеркалом, помещенным на внешней поверхности лазерной структуры. Данный полупроводниковый лазер имел следующие параметры: J 2 кА/см2;
2
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/951.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/955.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935-3t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/951.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047020/951.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935-4t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935-5t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/2047935-6t.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047087/177.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047093/920.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047093/920.gif)
![полупроводниковый лазер с оптической накачкой, патент № 2047935](/images/patents/425/2047935/9524.gif)
Класс H01S3/0933 полупроводникового прибора, например светоизлучающего диода