инжекционный лазер

Формула изобретения

1. Инжекционный лазер, включающий гетероструктуру, содержащую активный слой, по крайней мере волноводные слои, ограничительные слои, размещенные с двух сторон от него, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную со стороны р-типа гетероструктуры, с основанием, расположенным в ограничительном слое, размещенном с той же стороны активного слоя, отличающийся тем, что упомянутый ограничительный слой со стороны р-типа гетероструктуры сформирован по крайней мере из двух подслоев, имеющих один и тот же состав, при этом ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, или нелегирован, или имеет концентрацию р-типа не более 310¹⁷ см^-3, а граничащий с первым последующий ограничительный подслой имеет концентрацию р-типа более 310¹⁷ см^-3, мезаполоска гребневидного волновода сформирована двухъярусной, ее первый ярус соосно расположен на дополнительно введенном в ограничительный первый подслой втором ярусе мезаполоски, имеющем ширину, превышающую ширину первого яруса мезаполоски в 1,5-4 раза.

2. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что первый ярус мезаполоски сформирован шириной не более 5 мкм.

3. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, имеет толщину 0,3-0,5 мкм.

4. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что последующий за первым ограничительный подслой р-типа легирован в диапазоне 310¹⁷-510¹⁸ см^-3.

5. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что технологический переходной подслой, находящийся между первым и вторым ограничительными подслоями со стороны р-типа гетероструктуры, имеет концентрацию 310¹⁷-110¹⁸ см^-3, толщину не более 0,1 мкм, а следующий за ним ограничительный р-подслой имеет концентрацию не менее 110¹⁸ см^-3.

6. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что активный слой, волноводные слои, первый подслой ограничительного слоя со стороны р-типа гетероструктуры имеют заданный уровень фоновых примесей.

7. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что уровень фоновой примеси выбран с концентрацией менее 210¹⁶ см^-3.

8. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что волноводные слои выполнены одинакового состава при соотношениях толщины d_n волноводного слоя со стороны расположения ограничительного n-слоя к толщине d_p волноводного слоя со стороны расположения ограничительного р-слоя, определенных из диапазона 1,5-3,0.

9. Инжекционный лазер по любому пункту, отличающийся тем, что волноводные слои сформированы суммарной толщиной не более 1,0 мкм при большей толщине волноводного слоя со стороны n-типа гетероструктуры.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно, к эффективным, высокомощным полупроводниковым инжекционным лазерам с одномодовым излучением (SM-лазеры).

Предшествующий уровень техники

Для получения высокой мощности, излучаемой в одну продольную моду, необходимо изготовить высокоэффективный излучатель с низкой плотностью порогового тока и высокой дифференциальной квантовой эффективностью. Кроме того, такой излучатель должен обеспечивать эффективное подавление соседних продольных мод.

Для улучшения модового состава излучения разработаны различные типы SM-лазеров, в том числе с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1, 2].

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является инжекционный лазер, выполненный из гетероструктуры, содержащей активный слой, с двух сторон от него волноводные и ограничительные слои, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную с одной стороны активного слоя, с основанием в ограничительном р-слое с той же стороны активного слоя [3].

Изготовленные в соответствии с этим патентом [3] инжекционные лазеры при ширине мезаполоски 1-3 мкм обеспечивают стабильную работу в режиме одномодовой генерации при уровне мощности до 100-130 мВт. Однако в настоящее время появились новые области применения, такие, например, как использование лазеров с длиной волны , равной 0,94-1,0 мкм, для накачки волоконно-оптических усилителей, где необходима стабильная мощность в одномодовом режиме на уровне 150-250 мВт.

При реализации таких параметров в известной конструкции [3], выбранной нами за прототип, обнаруживается ряд трудностей, главная из которых - невозможность независимого и гибкого управления одновременно двумя факторами, действующими в противоположном направлении, на стабильность основной моды в гребневидном волноводе:

- первый фактор - величина бокового оптического ограничения, определяемая n_эфф, равная разнице показателей преломления на боковых поверхностях мезаполоски;

- второй фактор - профиль усиления, соответствующий профилю растекания тока под мезаполоской.

В известной конструкции [3] величина n_эфф определяется в основном толщиной h, оставшейся после травления ограничительного слоя р-типа вне мезаполоски. При толщине h, близкой к нулю (при практическом отсутствии ограничительного слоя р-типа вне мезаполоски), величина n_эфф может приближаться к 110^-2 (сильное ограничение - “index-guide”), т.е. стабильность основной моды определяется в основном первым фактором. Напротив, при толщине h, равной 0,4 мкм, n_эфф становится менее 510^-4 (слабое ограничение - “gain-guide”) и стабильность основной моды определяется в основном вторым фактором - профилем усиления. Растекание тока под мезаполоской, в свою очередь, зависит от ширины полоски и уровня легирования р-эмиттера под мезаполоской.

Изменения, наблюдаемые на диаграмме угловой расходимости _II в плоскости р-n перехода при повышении мощности, являются результатом конкуренции упомянутых двух факторов. По мере увеличения мощности происходит ослабление гребневидного волновода в центре и возникают условия для усиления на боковых границах мезаполоски. На профиль нулевой моды (“гаусс”) “накладывается” профиль моды первого порядка (“два лепестка”). В известной конструкции прототипа [3] почти невозможно одновременно влиять на оба фактора независимо.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлено решение технической задачи создания инжекционного лазера с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом режиме (режим SM), стабилизацией его параметров при повышении технологической воспроизводимости, в том числе снижение величины порогового тока I_пор, повышение дифференциальной квантовой эффективности _диф инжекционного лазера, его надежности и снижение последовательного сопротивления лазера.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен инжекционный лазер, выполненный из гетероструктуры, содержащей активный слой, по крайней мере ограничительные слои, размещенные с двух сторон от него, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную со стороны р-типа гетероструктуры, с основанием, расположенным в ограничительном слое, размещенном с той же стороны активного слоя, причем ограничительный слой со стороны р-типа гетероструктуры сформирован по крайней мере из двух подслоев, имеющих один и тот же состав, при этом ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, или нелегирован, или имеет концентрацию р-типа не более 310¹⁷ см^-3, а граничащий с первым последующий ограничительный подслой имеет концентрацию р-типа более 310¹⁷ см^-3, мезаполоска выполнена двухъярусной, ее первый ярус соосно расположен на дополнительно введенном в ограничительный первый подслой втором ярусе мезаполоски, имеющем ширину, превышающую ширину первого яруса мезаполоски в 1,5-4,0 раза.

Основным отличием предложенного инжекционного лазера (далее “Лазер” или “SM-Лазер”) является формирование двухъярусной мезаполоски с введением более широкого ее второго яруса (далее называемого нами “пьедесталом”) в нелегированный или низколегированный ограничительный первый подслой двухслойного ограничительного слоя со стороны р-типа гетероструктуры (которая также может содержать волноводные слои с двух сторон от активного слоя).

Предложены соотношение ширины ярусов мезаполоски и уровни легирования ограничительных подслоев со стороны р-типа гетероструктуры. При этом профиль растекания тока находится внутри более широкого волновода, определяемого границами “пьедестала”, а величина бокового оптического ограничения n_эфф двухъярусной мезаполоски определяется остаточной толщиной h₁ ограничительного первого подслоя вне “пьедестала”.

В предложенной двухъярусной мезаполоске профиль растекания носителей, определяющий профиль модового усиления, зависит от ширины W₁ более узкого яруса мезаполоски, от отдаленности его основания на расстояние h₂ от ближайшей границы волноводного слоя, а также от величины уровня концентрации в “пьедестале”, т.е. в ограничительном первом подслое, прилегающем к волноводному слою. Поскольку весь “пьедестал” (в том числе основание первого яруса, совпадающее с вершиной второго яруса (“пьедестала”) мезаполоски) находится в ограничительном первом подслое, нелегированном или с уровнем легирования менее 310¹⁷ см^-3, то растекание тока сводится к минимуму и находится внутри более широкого волновода, образуемого “пьедесталом”. В предложенном SM-Лазере при неизменности величин W₁ и h₂ профиль растекания остается неизменным, а величина бокового оптического ограничения n_эфф1 первого узкого яруса мезаполоски удовлетворяет условию “слабого волновода”, т.е. менее 510^-4.

Требуемая величина бокового оптического ограничения n_эфф двухъярусной мезаполоски определяется только величиной бокового оптического ограничения n_эфф2 “пьедестала”, т.е. остаточной толщиной h₁ ограничительного первого подслоя вне “пьедестала”, которую для каждой используемой эпитаксиальной гетероструктуры можно рассчитать или подобрать экспериментально. Более того, в отличие от прототипа [3], можно формировать более сильный волновод без опасения возникновения мод более высокого порядка, поскольку “узкий профиль” усиления внутри волновода дает существенное преимущество основной “нулевой” моде, а развитие конкурирующего антиволноводного механизма ослаблено.

Наконец, область реального усиления в конструкции двухъярусной мезаполоски в сравнении с прототипом [3] дополнительно удалена от ее физической границы.

В результате этого увеличивается мощность выходного излучения, стабилизируются SM режим излучения и другие параметры SM-Лазера, снижается величина порогового тока I_пор и повышается _диф - дифференциальная квантовая эффективность.

В то же время высокий уровень легирования последующего(-их) р-подслоя(-ев) (имеющего или имеющих значительно большую толщину, чем первый ограничительный подслой) ограничительного слоя со стороны р-типа гетероструктуры снижает последовательное сопротивление предложенного SM-Лазера, а следовательно, и его самонагрев, что особенно критично для первого узкого яруса мезаполоски, так как первый ярус мезаполоски сформирован шириной W₁, выбранной не более 5 мкм.

Поставленная задача также решается тем, что ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, имеет толщину 0,3-0,5 мкм.

Кроме того, наилучшие результаты были получены при расположении после ограничительного первого подслоя последующего(-их) ограничительного(-ых) р-подслоя(-ев), имеющего(-их) концентрацию носителей р-типа в диапазоне 310¹⁷-510¹⁸ см^-3.

Известна конструкция гетероструктуры [4], в которой ограничительный р-слой одного состава сформирован из двух р-подслоев, имеющих различную степень легирования. Прилегающий к активному слою ограничительный первый р-подслой имеет концентрацию от 210¹⁷ см^-3 до 810¹⁷ см^-3. Следующий за ним ограничительный второй р-подслой имеет концентрацию от 1,510¹⁸ см^-3 до 1010¹⁸ см^-3. Авторами [4] использовано двухуровневое легирование для повышения мощности многомодовых инжекционных лазеров.

Нами предложено использование двухуровневого легирования (либо нелегирования первого подслоя) в совокупности с другими существенными признаками предложенного изобретения как для повышения мощности излучения Лазеров, в том числе SM-Лазеров, с оригинальным гребневидным волноводом, так и для стабилизации режима SM и других их параметров при увеличении дифференциальной квантовой эффективности, надежности и снижении пороговых токов.

Поставленная задача решается также тем, чтобы технологический переходной подслой с концентрацией р-типа 310¹⁷-110¹⁸ см^-3, помещенный между ограничительным первым подслоем и последующим ограничительным р-подслоем, формировать толщиной не более 0,1 мкм, а следующий за ним ограничительный р-подслой выполнять с концентрацией не менее 110¹⁸ см^-3. Такой профиль легирования обеспечивает дополнительное снижение последовательного сопротивления предложенного SM-Лазера при минимальном профиле растекания.

Таким образом, двухъярусная мезаполоска с гребневидным волноводом при заявленном профиле легирования оптимальным образом “встроена” в эпитаксиальную гетероструктуру. В этом предложенный SM-Лазер выгодно отличается как от прототипа [3], так и от патента [4].

Необходимо также отметить, что предложенные выше решения обеспечивают дальнейшую стабилизацию одномодового режима генерации SM-Лазеров.

Кроме того, при создании уровня фоновых примесей, желательно с концентрацией не более 210¹⁶ см^-3, в активном слое, в волноводных слоях и в первом ограничительном подслое гетероструктуры предложенного SM-Лазера можно реализовать одночастотный режим его работы.

Известно создание гетероструктур, включающих ограничительный слой со стороны р-типа, состоящий из двух подслоев одного состава и с уровнем фоновых примесей в упомянутом ограничительном первом подслое, в волноводных слоях, в активном слое (см. патент РФ 2176842 [5]) для получения одночастотного режима.

Поставленная техническая задача решается также тем, что двухсторонний волновод выполнен из слоев одинакового состава при соотношениях толщины d_Bn волноводного слоя со стороны расположения ограничительного n-слоя к толщине d_Bp волноводного слоя со стороны расположения ограничительного р-слоя, определенных из диапазона 1,5-3,0. Предложенный асимметричный волновод способен дополнительно улучшить параметры Лазера. Уменьшение толщины волноводного слоя, примыкающего к первому ограничительному подслою, приводит к дополнительному снижению как последовательного сопротивления, так и к снижению величины растекания тока, т.е. к увеличению выходной мощности излучения. Общее увеличение суммарной толщины волноводных слоев приводит к уменьшению плотности лазерного излучения на выходном зеркале, т.е. к увеличению надежности SM-Лазеров.

Поставленная техническая задача также решается тем, что волноводные слои сформированы суммарной толщиной не более 1,0 мкм при большей толщине волноводного слоя со стороны n-типа гетероструктуры. Важно подчеркнуть, что в данном исполнении смещение распределения пятна к ограничительному слою n-типа не существенно сказывается на величине бокового оптического ограничения, так как из-за утоньшения ограничительного первого подслоя вне “пьедестала” поле в направлении, перпендикулярном р-n переходу, также асимметрично и согласно расчетам [6] смещено в ограничительный слой со стороны n-типа гетероструктуры на глубину до 2,0 мкм.

Резюмируя описанное выше, отметим основные преимущества предложенного Лазера.

1. Формируется минимально возможный профиль растекания носителей в предложенном гребневидном Лазере. Его величина постоянна при всех разумных значениях бокового оптического ограничения n_эфф двухъярусной мезаполоски.

2. Величина бокового оптического ограничения n_эфф зависит практически только от одного параметра - толщины h₁ ограничительного первого подслоя вне “пьедестала”, что резко упрощает задачу изготовления эффективного SM-Лазера с хорошей воспроизводимостью и стабильностью его параметров.

3. Возможность использования более сильного (в сравнении с прототипом [3]) бокового оптического ограничения n_эфф сужает диаграмму расходимости, что эквивалентно увеличению лазерного пятна на зеркале.

4. Снижено последовательное сопротивление SM-Лазера.

5. Область максимальной плотности носителей тока и излучения дополнительно удалена от граничных поверхностей мезаполоски.

6. Значительно увеличена выходная мощность излучения в одномодовом режиме при повышенной эффективности и надежности работы Лазера. Иначе говоря, стабилизировано одномодовое излучение в более широком диапазоне значений выходной мощности.

Существом настоящего изобретения является новый и оригинальный выбор отличительных существенных признаков и их взаимосвязь, которые не являются очевидными.

Совокупность существенных признаков предложенного Лазера в соответствии с формулой изобретения нова и соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении инжекционных лазеров и поэтому предложение удовлетворяет критерию “промышленная применимость”. Предложенные настоящим изобретением Лазеры применимы для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение Лазера (SM-Лазера) с полосковой областью генерации излучения, выполненной в виде двухъярусной мезаструктуры, расположенной в ограничительном слое, состоящем из двух подслоев одного состава и различного уровня легирования, расположенном со стороны р-типа гетероструктуры с симметричными волноводными слоями.

На фиг. 2 изображены диаграммы угловой расходимости _II выходного излучения в горизонтальной плоскости при четырех различных значениях мощности выходного излучения SM-Лазера (изображенного на фиг. 1) с гребневидным волноводом в виде двухъярусной мезаструктуры, расположенной в ограничительном слое со стороны р-типа гетероструктуры, состоящем из двух подслоев одного состава и различного уровня легирования.

На фиг. 3 изображены диаграммы угловой расходимости _II выходного излучения в горизонтальной плоскости при четырех различных значениях мощности выходного излучения инжекционного лазера с гребневидным волноводом в виде одноярусной мезаструктуры, расположенной в ограничительном слое со стороны р-типа гетероструктуры, состоящем из двух подслоев одного состава и различного уровня легирования.

На фиг. 4 изображены диаграммы угловой расходимости _II выходного излучения в горизонтальной плоскости при четырех различных значениях мощности выходного излучения SM-лазера с гребневидным волноводом в виде двухъярусной мезаструктуры, расположенной в однородно легированном ограничительном р-слое гетероструктуры.

На фиг. 5 схематично изображено продольное сечение Лазера с полосковой областью генерации излучения, выполненной в виде двухъярусной мезаструктуры, расположенной в ограничительном слое, состоящем из двух подслоев одного состава и различного уровня легирования, расположенном со стороны р-типа гетероструктуры с асимметричными волноводными слоями.

Варианты осуществления изобретения

Предложенный Лазер может быть реализован на различных гетероструктурах, в том числе, с квантово-размерной активной областью. Рассмотренные далее примеры исполнения не являются единственно возможными.

В первом примере рассматривается первая модификация Лазера 1 (SM-Лазера, см. фиг. 1), которая выполнена на основе двойной гетероструктуры с раздельным оптическим ограничением (РОДГС) с двумя квантовыми ямами (“Dublle Quantum Well”, далее “DQW”) (не показаны), изготовленной МОС-гидридным методом.

В качестве подложек (не показаны) использованы пластины арсенида галлия с концентрацией носителей N_n, равной 210¹⁸ cм^-3.

На подложке расположена следующая последовательность слоев: буферный слой (не показан) GaAs:Si с концентрацией носителей N_n, равной 210¹⁸ см^-3, n-типа ограничительный слой (не показан) Al_0,33Ga_0,67As:Si толщиной d_oгp.n, равной 2,5 мкм, первый нелегированный волноводный слой 2 Al_0,26Ga_0,74As толщиной d_в1, равной 0,30 мкм, активная область 3 конструкции DQW, на ней помещен второй нелегированный волноводный подслой 4 Al_0,26Ga_0,74As толщиной d_B2, равной 0,30 мкм, первый ограничительный р-подслой 5 Al_0,33Ga_0,67As:Zn с уровнем легирования N_p, равным 2,510¹⁷ см^-3 и толщиной d_oгp1p, равной 0,40 мкм, второй р-типа ограничительный подслой 6 Al_0,33Ga_0,67As:Zn с градиентным уровнем легирования от 110¹⁸ см^-3 до 510¹⁸ см^-3 и толщиной d_oгp2p, равной 1,2 мкм, контактный слой 7 p⁺-GaAs с концентрацией носителей Р. равной 210¹⁹ см^-3 толщиной d_к, равной 0,25 мкм. Концентрация носителей в слоях гетероструктуры и их состав определен на CV-профайлере Polaron 4200. Толщины слоев измерены с помощью сканирующего электронного микроскопа.

В полученной гетероструктуре под фоторезистивной маской (далее ФРМ) в ограничительном слое со стороны р-типа гетероструктуры изготовлены вначале второй ярус 8 мезаполоски - “пьедестал” 8, потом первый ярус 9 мезаполоски. Получена двухъярусная мезаполоска:

- ширина W₁ равна 3,0 мкм первого узкого яруса 9 мезаполоски,

- ширина W₂ равна 6,0 мкм второго яруса (“пьедестала”) 8 мезаполоски,

- остаточная толщина h₁, равная 0,20 мкм, ограничительного первого подслоя 5 вне “пьедестала” 8,

- расстояние h₂, равное 0,35 мкм, от основания первого узкого яруса 9 мезаполоски и одновременно от вершины “пьедестала” 8 до волноводного слоя 4. Это расстояние на 0,05 мкм меньше толщины d_oгp1 первого ограничительного подслоя 5, т.е. удовлетворяет условию полного нахождения “пьедестала” 8 в первом ограничительном подслое 5 - основания первого и второго ярусов находятся в ограничительном первом подслое.

Профильная двухъярусная мезаполосковая структура с боковых сторон заращена слоем ZnSe 10, обеспечивающим токовое ограничение и боковое оптическое ограничение. После вскрытия окна в вершине первого яруса 9 мезаполоски напылен многослойный омический контакт 11 состава ZnNi-MoNiAu (0,3 мкм).

После утоньшения пластины GaAs от 300 мкм до 100 мкм на подложке n-GaAs напылен омический контакт (не показан) состава Ni-AuGe-Au (0,3 мкм). Пластина затем разделена на элементы с шириной W₀, равной 400 мкм, и с длиной оптического резонатора L₀, равной 800 мкм, которые напаяны р-стороной на Сu теплоотвод с помощью In (не показаны). На отражающих гранях оптического резонатора (не показаны) нанесены зеркальные покрытия с коэффициентами отражения 5 и 96% соответственно.

Экспериментально полученные значения порогового тока I_пop, токов накачки I_нак, при которых получены соответствующие значения мощности выходного излучения Р_вых и угловые расходимости ^0,5_II выходного излучения в плоскости р-n перехода (горизонтальной плоскости) по уровню 0,5, последовательное сопротивление R_посл записаны в таблице в разделе 1, а диаграммы 12, 13, 14 и 15 угловых расходимостей _II выходного излучения, полученные при выходных мощностях, соответственно, 50, 90, 140 и 180 мВт, изображены на фиг. 2. Предложенный Лазер 1 по первой модификации имеет значение выходной мощности Р_вых, равное 180 кВт, в нулевой моде при токе накачки I_нак, равном 240 мА, и угловых расходимостях: горизонтальной ⁰_II"⁵, равной 8,6, и вертикальной равной 28,5, что подтверждает успешное решение поставленной задачи.

В другом примере рассмотрен инжекционный лазер, выполненный на основе гетероструктуры DQW, идентичной использованной в первом примере для Лазера 1, но в ней была сформирована обычная одноярусная узкая мезаполоска (без “пьедестала”) с параметрами: ширина W₁ равна 3,0 мкм, остаточная толщина h₁ равна 0,20 мкм ограничительного первого подслоя вне мезаполоски.

Диаграммы 16, 17, 18 и 19 угловой расходимости _II выходного излучения в горизонтальной плоскости, полученные при выходных мощностях, соответственно, 40, 90, 140 и 180 мВт, изображены на фиг.3. Значения порогового тока I_пop, токов накачки I_нак, соответствующие значения мощности выходного излучения Р_вых и угловых расходимостей ^0,5_II выходного излучения в плоскости р-n перехода (горизонтальной плоскости) по уровню 0,5, последовательное сопротивление R_пocл записаны в таблице в разделе 2.

Сравнительный анализ диаграмм угловой расходимости _II излучения первого и второго приведенных примеров показал очевидность преимущества двухъярусной конструкции мезаполоски, так как форма полученных диаграмм угловой расходимости _II излучения для инжекционного лазера с одноярусной мезаполоской и их ширина на уровне 0,5 позволяют заключить, что происходит наложение нулевой и первой моды излучения. Подобные лазеры не пригодны для практического использования несмотря на несколько большую эффективность.

В следующем примере SM-лазер (не показан) изготовлен из гетероструктуры с однородно легированным ограничительным р-слоем Al_0,52Ga_0,18As:Zn с уровнем легирования N_p, равным (7-8)10¹⁷ см^-3 и толщиной d_oгp.p, равной 1,8 мкм, в котором выполнена двухъярусная мезаполоска:

- ширина W₁ равна 2,2 мкм первого яруса мезаполоски,

- ширина W₂ равна 5,0 мкм второго яруса мезаполоски (“пьедестала”),

- остаточная толщина h₁, равная 0,10 мкм, ограничительного первого подслоя,

- расстояние h₂, равное 0,30 мкм, от основания первого узкого яруса 9 мезаполоски и одновременно от вершины “пьедестала” 8 до волноводного слоя 4.

Диаграммы 20, 21, 22 и 23 угловой расходимости _II выходного излучения в горизонтальной плоскости, полученные при выходных мощностях, соответственно, 20, 60, 90 и 120 мВт, для рассматриваемого SM-лазера изображены на фиг. 4. Значения порогового тока I_пор, токов накачки I_нак, соответствующие значения мощности выходного излучения Р_вых и угловых расходимостей ^0,5_II выходного излучения в горизонтальной плоскости по уровню 0,5, последовательное сопротивление R_пocл записаны в таблице в разделе 3. По изготовленным из использованной эпитаксиальной гетероструктуры обычным стандартным приборам с одноярусной мезаполоской имелись воспроизводимые результаты для сравнения.

По легированию использованная эпитаксиальная гетероструктура не была оптимизирована для двухъярусной мезаполоски - для всего ограничительного р-слоя концентрация N_p равна (7-8)10¹⁷ см^-3.

Удаление на 0,3 мкм первого (узкого) яруса мезаполоски (вместо удаления на 0,1 мкм одноярусной мезаполоски в обычных приборах) привело к увеличению порогового тока I_пop от 24-25 мА (для одноярусной мезаполоски стандартного обычного прибора) до 32-34 мА (для двухъярусной мезаполоски SM-лазера в рассматриваемом примере), что является результатом растекания тока.

Наиболее важный результат - эффект стабилизации нулевой моды во всем диапазоне мощности до 120 мВт рассматриваемого SM-лазера, зарегистрирован на диаграммах 20-23 угловой расходимости _II - их форма и полуширина. Стандартные приборы с одноярусной мезаполоской (при остаточной толщине h₁, равной 0,1 мкм, ограничительного р-слоя с одноярусной мезаполоской) работают в режиме SM до 70-90 мВт. Факт более низкой эффективности SM-лазеров в примере 3 (по сравнению с примером 1) в данном случае не существенен, так как использованная стандартная эпитаксиальная структура имела более низкую эффективность.

Вторая модификация предложенного SM-Лазера (см. фиг.5) отличается от первой тем, что волноводные слои 2 и 3 с n- и р-сторон гетероструктуры, с двух сторон примыкающие к активной области 3, имеют различную толщину: волноводный слой 2 с n-стороны гетероструктуры - толщиной d_в1, равной 0,28 мкм, волноводный слой 4 с р-стороны гетероструктуры - толщиной d_в2, равной 0,12 мкм. Все остальные параметры гетероструктуры и двухъярусной мезаполоски сохранены.

Величина последовательного сопротивления Лазера 1 (SM-Лазера) второй модификации была снижена на 15%, а при токе 240-250 мА достигнута мощность Р_вых приблизительно 200 мВт в режиме SM.

Нами определено, что предложенный Лазер может быть реализован не только в описанных модификациях, но также на других полупроводниковых материалах, для различных диапазонов длин волн излучения.

Промышленная применимость

Предложенный инжекционный лазер может быть использован в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, для накачки волоконно-оптических усилителей, твердотельных лазеров, при создании медицинской, измерительной аппаратуры, лазерного технологического оборудования.

Источники информации

1. Физика полупроводниковых лазеров, п./р. Х.Такумы, М., “Мир”, 1989, гл. 6, сс. 18-19.

2. S.S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v.28, №25, pp. 2345-2346.

3. Патент РФ 2035103 (В.А.Шишкин, В.И.Швейкин), 26.01.93, Н 01 S 3/19.

4. Патент США 4441187 (Jean-Claude BOULEY, Josette CHARIL, Guy CHAMINANT), 03.04.1984, 372/46, Н 01 S 3/19.

5. Патент РФ 2176842 (ФГУП НИИ “ПОЛЮС”. А.А. Чельный), 30.08.2000, Н 01 S 5/00, 5/32.

6. Е.И.Давыдова, А.Е.Дракин, П.Г.Елисеев и др. “Излучательные характеристики и диаграмма направленности квантово-размерного инжекционного лазера в спектральной области 780 нм”, Квантовая электроника (1992), т.19, №10, сс. 1024-1031.