ES2970015T3 - Láser de diodo de banda ancha con alta eficiencia y baja divergencia de campo lejano - Google Patents

Láser de diodo de banda ancha con alta eficiencia y baja divergencia de campo lejano Download PDF

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Paul Crump
Götz Erbert
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Abstract

El láser tiene dos capas guía de ondas (12, 16) dispuestas sobre una de dos capas de revestimiento (14, 18) y una capa activa (10), respectivamente, donde la capa activa y dos contactos (22, 24) tienen un ancho mayor. de 10 micrómetros. Una capa guía anti-ondas (20) está dispuesta fuera de una región activa encerrada entre los contactos, donde un índice de refracción de la capa guía anti-ondas es mayor que un índice de refracción mínimo de las capas de revestimiento, y la distancia mínima entre las capas anti-ondas es mayor que un índice de refracción mínimo de las capas de revestimiento. capa conductora de ondas y una proyección de los contactos sobre un plano de la capa se encuentra entre 0 y 100 micrómetros. Las capas guía anti-ondas están formadas como capa enterrada o como capa superficial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Láser de diodo de banda ancha con alta eficiencia y baja divergencia de campo lejano
La presente invención se refiere a un láser de diodo de alta eficiencia y baja divergencia de campo lejano.
Estado de la técnica
En general, los diodos láser (en lo sucesivo también denominados láseres de diodo) tienen una capa activa que está incrustada en capas semiconductoras que difieren entre sí en términos de sus huecos de banda, índices de refracción y dopaje. Las capas situadas por debajo y por encima de la capa activa difieren en el tipo de conducción (n o p). Además de garantizar el transporte de electrones y huecos hacia la capa activa, donde se recombinan de forma estimulada y generan radiación láser, estas capas sirven para guiar la luz láser verticalmente. Las capas adyacentes a la capa activa se denominan capas de guía de ondas y las adyacentes a estas capas, capas de revestimiento. Normalmente, el índice de refracción de la capa activa es mayor que el de las capas de guía de ondas y el índice de refracción de las capas de guía de ondas es mayor que el de las capas de revestimiento. Sin embargo, también son posibles otras configuraciones (por ejemplo, FLECHA vertical, cristal de banda fotónica).
Parámetros como la potencia, la eficiencia, la calidad del haz, el ancho de línea espectral estrecho y la fiabilidad de los láseres de diodo de alta potencia son criterios importantes para su uso en lugar de los láseres de estado sólido. Los láseres de banda ancha simple son láseres de diodo optimizados para una elevada potencia óptica de salida. Las potencias elevadas se consiguen bombeando grandes áreas con aperturas (anchuras de banda) superiores a 10 pm, por ejemplo, entre 30 y 400 pm y longitudes de resonador de hasta 10 mm.
Sin embargo, el uso de láseres de banda ancha con alta potencia de salida en lugar de láseres de estado sólido está limitado por el hecho de que la divergencia lateral de la radiación emitida aumenta con el incremento de la potencia de salida. Esto reduce la capacidad de enfoque de la radiación emitida, lo que resulta desventajoso para muchas aplicaciones, por ejemplo, en el procesamiento de materiales. La causa principal de este efecto es la formación de un guía de ondas inducido térmicamente, que conduce a un láser estable de modos laterales (cada vez) de mayor orden con el aumento de la potencia de salida. Dado que la divergencia del campo lejano aumenta con el incremento del orden de los modos laterales, las potencias de salida más elevadas conducen a un ensanchamiento lateral no deseado del haz, como puede verse en la Fig. 1.
La Fig. 1 muestra la distribución de intensidad del campo lejano lateral de un láser de banda ancha convencional con una anchura de banda de 90 pm para diferentes potencias de salida.
Parte de la corriente que fluye hacia el láser y la parte de la luz resultante que es absorbida calientan de nuevo el láser. El calentamiento tiene lugar en particular en la zona activa directamente debajo de la banda de contacto superior por la que fluye corriente. Esto provoca un aumento local de los índices de refracción, ya que los índices de refracción de los semiconductores compuestos utilizados aumentan al aumentar la temperatura a la longitud de onda del láser. La diferencia positiva de los índices de refracción entre la zona activa y la zona pasiva lateral (que no está directamente debajo de la banda de contacto) da lugar a la formación de un guía de ondas lateral que puede guiar varios modos laterales. A medida que aumenta la potencia de salida, la diferencia de índices de refracción aumenta cada vez más, de modo que los modos laterales se guían con un orden cada vez mayor y alcanzan el umbral del láser.
Para reducir la divergencia lateral de campo lejano, el documento US 4,965,806 A propone grabar una variación de grosor de capa lateral en el guía de ondas superior para compensar el aumento del índice de refracción. Sin embargo, esto es desventajoso porque la compensación generada por la variación del grosor de la capa sólo puede realizarse para una determinada potencia de salida. Otra desventaja es el elevado coste de realización de un guía de ondas no plano.
En otra variante de realización, el documento US 4,965,806 A propone un perfil de temperatura lateral grabado generado por elementos calefactores dispuestos lateralmente de la zona activa. La desventaja de este dispositivo es que se requieren conexiones eléctricas adicionales. Además, este dispositivo no es compatible con el montaje p-down para una mejor disipación del calor. Además, el elevado coste de los elementos calefactores adicionales es una desventaja.
Con el fin de suprimir los modos laterales de orden superior, los documentos US 6,141,365 A y WO 2004/027951 A1 proponen capas absorbentes dispuestas a los lados de la zona activa, que provocan en particular pérdidas en los modos laterales de orden superior. Sin embargo, estas capas absorbentes sólo pueden utilizarse de forma práctica para anchuras de banda pequeñas < 10 pm, es decir, para potencias < 2 W, ya que los modos laterales de orden superior de los láseres de banda ancha se localizan principalmente en la zona activa y, por tanto, no pueden verse influidos o sólo pueden verse influidos ligeramente por capas absorbentes dispuestas lateralmente. Además, tales capas absorbentes sólo pueden utilizarse para modos con un perfil lateral muy diferente, ya que de lo contrario el modo fundamental también se atenuaría demasiado, lo que a su vez conduce a una baja eficiencia del dispositivo.
El documento WO 2010/057955 A1 utiliza estructuras de rejilla para reducir la realimentación de los modos superiores, pero la producción de las estructuras de rejilla es compleja y, por tanto, costosa.
El documento US 6,167,073 A divulga un láser semiconductor de alta potencia que comprende una pluralidad de elementos láser dispuestos en paralelo unos junto a otros, entre los cuales se forman regiones de anti-guía de ondas laterales con una inclusión óptica transversal reducida para acoplar los elementos láser individuales, con regiones de alto índice situadas junto a una región central conductora de corriente en cada caso. En los documentos WO 2006/096299 A2 y<d>E 102008 058436 A1 se proponen otros láseres semiconductores con estructuras anti-guía de ondas laterales en regiones de borde, y DE 102008058 436 A1 divulga el término genérico de la reivindicación 1. Los perfiles de índice de refracción lateralmente anti-guías de ondas correspondientes en láseres semiconductores de banda ancha para funcionamiento monomodal de alta potencia son descritos por A. K. Chan et al, en IEEE J. Quantum. Elec. 24(3) (1988).
Divulgación de la invención
Por lo tanto, es objeto de la presente invención proporcionar un láser de banda ancha con una divergencia de campo lejano baja combinada con una potencia de salida alta. Además, el láser de banda ancha según la invención debe ser barato de fabricar.
Estos objetivos se logran según la invención mediante las características de la reivindicación 1. Las configuraciones convenientes de la invención están contenidas en las reivindicaciones dependientes.
La idea de la presente invención es insertar una capa adicional, en lo sucesivo también denominada capa anti-guía de ondas, lateralmente fuera, preferiblemente completamente fuera, de la zona activa, por la que fluye corriente. Esta capa tiene un índice de refracción suficientemente alto. A determinados grosores de las capas, que dependen del índice de refracción, tiene lugar un desacoplamiento resonante de los modos superiores laterales en estas capas anti guía de ondas, que es tanto mayor cuanto mayor es el orden de los modos. Debido a este desacoplamiento, los modos laterales experimentan pérdidas que aumentan con el orden de los modos. Por lo tanto, los modos superiores laterales pueden suprimirse mediante el desacoplamiento resonante según la invención. Como resultado, la capa guía de ondas y la capa de revestimiento pueden ser ventajosamente planas y se puede prescindir de elementos calefactores adicionales. Dado que la supresión de los modos laterales de orden superior se consigue por desacoplamiento resonante y no por absorción, la capa anti-guía de ondas puede ser (fuertemente) absorbente, pero esto no es un requisito previo. Otra ventaja es que una capa anti-guía de ondas con desacoplamiento resonante puede utilizarse eficazmente, en particular en láseres de diodo con un perfil lateral ligeramente diferente, es decir, en láseres de banda ancha.
El láser de diodo según la invención tiene un primer contacto, una primera capa de revestimiento, una primera capa guía de ondas, una capa activa, una segunda capa guía de ondas, una segunda capa de revestimiento y un segundo contacto, que se forman preferentemente como una pila de capas. Para permitir el funcionamiento del láser, la capa activa, el primer contacto y el segundo contacto se extienden cada uno al menos parcialmente entre una faceta de salida y una faceta de reflexión.
Según la invención, la capa activa, el primer contacto y el segundo contacto tienen cada uno una anchura superior a 10 |jm y una capa anti-guía de ondas está dispuesta lateralmente fuera de la zona activa encerrada entre los contactos, en cuyo caso el índice de refracción de la capa anti-guía de ondas es al menos mayor que el índice de refracción mínimo de las capas de revestimiento, y la distancia mínima entre la capa anti-guía de ondas y una proyección de uno de los contactos en el plano de la capa anti-guía de ondas está comprendida entre 0 y 50 jm , más preferiblemente entre 5 y 50 jm y aún más preferiblemente entre 10 y 50 jm . Se prefiere una distancia mínima superior a 0 jm para minimizar las pérdidas indeseables para los modos de orden inferior.
En una variante de realización preferida de la invención, se dispone una capa anti-guía de ondas a cada lado de la zona activa entre las facetas. La capa anti-guía de ondas está situada lateralmente al lado (fuera) de la zona activa y verticalmente en cualquier posición dentro de la secuencia de capas laterales. La posición óptima depende de los materiales utilizados. La capa anti-guía de ondas puede estar situada por debajo o por encima de una de las dos capas de revestimiento, dentro de una de las capas de revestimiento o, preferiblemente, en la región entre las dos capas de revestimiento. La zona activa en el sentido de la presente invención es -siempre que ambos contactos tengan la misma anchura en toda su longitud- la zona comprendida entre los contactos. Si ambos contactos tienen (al menos parcialmente) anchuras diferentes en su longitud, la zona activa en el sentido de la presente invención es la región encerrada por la proyección perpendicular del contacto (respectivamente) menos ancho sobre el contacto opuesto.
Preferiblemente, la capa activa, el primer contacto y el segundo contacto se extienden cada uno completamente entre la faceta de salida y la faceta de reflexión, pero esto no se requiere obligatoriamente. Preferiblemente, la al menos una capa anti-guía de ondas también se extiende completamente entre las facetas, pero esto tampoco es obligatoriamente necesario. Preferiblemente, la al menos una capa anti-guía de ondas se extiende sobre al menos el 30%, más preferiblemente sobre al menos el 50% e incluso más preferiblemente sobre al menos el 80% de la extensión longitudinal de la capa activa.
El índice de refracción efectivo nleff en la zona activa se define resolviendo la siguiente ecuación de guía de ondas vertical unidimensional
donde nzona efectiva (y) es el perfil de los índices de refracción de la secuencia de capas en la zona activa, A es la longitud de onda del láser, Ezona activa(y) es el perfil de la intensidad de campo eléctrico en la zona activa, e y es la coordenada de posición vertical en la zona activa. La solución para nleff, cuyo cuadrado absoluto de la intensidad de campo eléctrico en la capa activa es el mayor, determina el perfil vertical de la intensidad de campo eléctrico de los modos láser en la zona activa. En este caso, la secuencia de capas consta, como mínimo, de la primera capa de revestimiento, la primera capa guía de ondas, la capa activa, la segunda capa guía de ondas y la segunda capa de revestimiento. Si es necesario, también pueden tenerse en cuenta las capas de contacto exterior y de sustrato. El índice de refracción efectivo n2eff en la región lateral (fuera) de la zona activa donde se encuentra la capa anti-guía de ondas se define resolviendo la siguiente ecuación de guía de ondas vertical unidimensional
donde nlateral(y) representa el perfil de los índices de refracción de la secuencia de capas en la región lateral a la zona activa en la que se encuentra la capa anti-guía de ondas, A representa la longitud de onda del láser, Elateral(y) representa el perfil de la intensidad de campo eléctrico en la zona lateral a la zona activa en la que se encuentra la capa anti-guía de ondas, e y representa la coordenada de posición vertical en la zona lateral a la zona activa en la que se encuentra la capa anti-guía de ondas. La solución para n 2 f cuyo cuadrado absoluto de la intensidad de campo eléctrico en la capa activa es el mayor, determina el perfil vertical de la intensidad de campo eléctrico de los modos láser en la zona lateral a la zona activa. Si la capa anti-guía de ondas está presente en la zona lateral de la zona activa, existen otras soluciones para n2eff. En este caso, la secuencia de capas está formada por la capa anti-guía de ondas y todas las capas siguientes: primera capa de revestimiento, primera capa guía de ondas, capa activa, segunda capa guía de ondas y segunda capa de revestimiento, siempre que estas capas estén presentes en la zona lateral a la zona activa en la que se encuentra la capa anti-guía de ondas.
El desacoplamiento resonante según la invención se produce si el índice de refracción y el grosor de la capa anti-guía de ondas se seleccionan de tal manera que, en funcionamiento del láser, el índice efectivo nleff en la zona activa sea aproximadamente igual al índice efectivo n 2 f en la zona lateral a la zona activa en la que está dispuesta la capa anti guía de ondas.
El grosor y el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas se seleccionan de tal manera que se aplica lo siguiente para la diferencia entre nleff y n2ef 0 < (nleff - n 2 f ) < 0,15, más preferiblemente < 0,10, aún más preferiblemente < 0,05. En una variante de realización preferida, el índice de refracción efectivo nleff en la zona activa es mayor que el índice de refracción efectivo n 2 f en la región al lado (fuera) de la zona activa.
Preferiblemente, una capa anti-guía de ondas está dispuesta en cada lado longitudinal de la capa activa. Preferiblemente, las dos capas anti-guía de ondas están dispuestas simétricamente entre sí con respecto a un eje longitudinal centrado de la capa activa. Preferiblemente, la anchura, el grosor de la capa, la distancia a la zona activa y el índice de refracción de las dos capas anti-guía de ondas son respectivamente iguales.
Preferiblemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que el índice de refracción mínimo de las capas de revestimiento. Si los índices de refracción de las capas de revestimiento son iguales, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que el índice de refracción de las capas de revestimiento.
Los índices de refracción se refieren siempre a la longitud de onda del láser. Aún más preferentemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que la media aritmética de los índices de refracción de las capas de revestimiento. Preferiblemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que el índice de refracción máximo de las capas de revestimiento.
Preferiblemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que el índice de refracción mínimo de las capas de guía de ondas. Siempre que los índices de refracción de las capas de guía de ondas sean iguales, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es preferiblemente mayor que el índice de refracción de las capas de guía de ondas.
Aún más preferiblemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que la media aritmética de los índices de refracción de las capas de guía de ondas. Preferiblemente, el índice de refracción de la al menos una capa anti-guía de ondas es mayor que el índice de refracción máximo de las capas de guía de ondas.
El desacoplamiento resonante de los modos laterales de orden superior puede lograrse de forma particularmente eficiente mediante la capa anti-guía de ondas si su índice de refracción es comparativamente grande con respecto a los índices de refracción de las capas de la zona activa.
Preferiblemente, la distancia vertical mínima entre la capa activa y la capa anti-guía de ondas es menor que la suma del grosor de capa de la primera capa de revestimiento y el grosor de capa de la primera capa guía de ondas. Preferiblemente, la distancia vertical mínima entre la capa activa y la capa anti-guía de ondas es menor que la suma del grosor de capa de la segunda capa de revestimiento y el grosor de capa de la segunda capa guía de ondas.
Preferiblemente, la primera capa de revestimiento y la primera capa guía de ondas son n-conductoras y la segunda capa de revestimiento y la segunda capa guía de ondas son p-conductoras.
Preferiblemente, la distancia vertical mínima entre la capa activa y la capa anti-guía de ondas es menor que el grosor de la capa de la segunda capa guía de ondas de p-conductora. Aún más preferiblemente, la distancia vertical entre la capa activa y la capa anti-guía de ondas está comprendida entre el 40% y el 100% del grosor de la capa de la segunda capa guía de ondas.
Preferiblemente, la distancia lateral mínima entre la capa anti-guía de ondas y una proyección del contacto que tiene una anchura menor en el plano de la capa anti-guía de ondas está entre 0 y 50 jm , más preferiblemente entre 5 y 50 |jm, aún más preferiblemente entre 10 y 50 jm . Como resultado, el desacoplamiento resonante de los modos laterales de orden superior puede tener lugar de forma particularmente eficiente, sin pérdida adicional para los modos de orden inferior.
La capa activa, el primer contacto y el segundo contacto tienen cada uno una anchura superior a 10 jm , más preferiblemente entre 20 y 800 jm y aún más preferiblemente entre 30 y 400 jm . En particular, debe conseguirse un alto rendimiento mediante el bombeo de grandes áreas con aperturas (anchuras de banda) superiores a 10 jm , preferiblemente entre 30 y 400 jm , más preferiblemente entre 20 y 800 jm y aún más preferiblemente entre 30 y 400 jm y longitudes de resonador de hasta 10 mm. Independientemente de la anchura de los contactos y de la capa activa, se prevé según la invención que la zona por la que fluye corriente en la región de la capa activa tenga una anchura superior a 10 jm , preferentemente entre 20 y 800 jm y aún más preferentemente entre 30 y 400 jm .
Preferiblemente, la capa anti-guía de ondas tiene una anchura lateral mayor que A/n2eff, más preferiblemente mayor que 10 x A/n2eff y aún más preferiblemente mayor que 100 x A/n2eff. En una variante de realización preferida para el caso A = 980nm y n 2 f = 3,5, la capa anti-guía de ondas se extiende fuera de ambos lados de la zona por la que fluye corriente en un rango de al menos 2,8 jm , más preferiblemente al menos 10 jm y aún más preferiblemente al menos 28 jm . En una variante de realización particularmente preferida, la capa anti-guía de ondas se extiende desde ambos lados de la zona por la que fluye corriente en una dirección que se aleja (lateralmente) de la zona por la que fluye corriente hacia una región en la que se extienden (lateralmente) las capas de guía de ondas y de revestimiento. Es especialmente preferible que la capa anti-guía de ondas (lateral) esté enrasada con las capas de guía de ondas y de revestimiento.
Preferiblemente, para el intervalo de longitudes de onda entre 0,3 jm y 100 jm , la capa anti-guía de ondas está hecha de germanio. Alternativamente, en lugar de germanio puede utilizarse otro material (semiconductor, aislante, metal) con un índice de refracción suficiente. Por ejemplo, el GaAs tiene un índice de refracción suficientemente alto en el rango de longitudes de onda entre 0,25 jm y 1,55 jm . El grosor óptimo depende del índice de refracción de la capa anti-guía de ondas y de la longitud de onda del láser.
Preferiblemente, la estructura de capas, que comprende la primera capa de revestimiento, la primera capa guía de ondas, la capa activa, la segunda capa guía de ondas y la segunda capa de revestimiento, está dispuesta sobre un sustrato portador semiconductor. Los contactos pueden aplicarse preferentemente por debajo del sustrato y por encima de la capa guía de ondas superior.
Preferiblemente, la primera capa de revestimiento, la primera capa guía de ondas, la capa activa, la segunda capa guía de ondas y la segunda capa de revestimiento están formadas a partir de materiales semiconductores.
Preferiblemente, la primera capa de revestimiento, la primera capa guía de ondas, la capa activa, la segunda capa guía de ondas, la segunda capa de revestimiento y la capa anti-guía de ondas son planas. Preferiblemente, la primera capa de revestimiento, la primera capa guía de ondas, la capa activa, la segunda capa guía de ondas, la segunda capa de revestimiento y la capa anti-guía de ondas tienen cada una un grosor de capa uniforme.
Preferiblemente, la capa activa, el primer contacto y/o el segundo contacto tienen forma de banda. En lugar de una banda de contacto rectangular, puede proporcionarse alternativamente cualquier forma, por ejemplo, forma trapezoidal (láser trapezoidal de banda ancha).
También es posible diseñar el láser de diodo según la invención como un láser de varias secciones con diferentes geometrías y diseños de la banda de contacto, por ejemplo, láser trapezoidal que consta de una sección RW (Ridge-Waveguide o guía de ondas de cresta) y una sección trapezoidal. También son concebibles otras configuraciones alternativas con varias secciones.
La distancia lateral mínima entre la capa anti-guía de ondas y una proyección del contacto que tiene una anchura menor es uniforme en el plano de la capa anti-guía de ondas a lo largo de la extensión longitudinal de la capa anti guía de ondas.
En otra variante de realización de la invención, la capa anti-guía de ondas puede comprender una secuencia de capas en lugar de una sola capa. Las condiciones mencionadas para la capa anti-guía de ondas se aplican entonces análogamente a la secuencia de capas.
Según la invención, la capa anti-guía de ondas puede formarse como una capa superficial. Alternativamente, es posible formar la capa anti-guía de ondas como una capa epitaxialmente crecida, enterrada que consiste en semiconductores compuestos de (AI, In, Ga) y (As, P, Sb, N). La capa anti-guía de ondas se produce preferentemente por pulverización catódica, epitaxia, implantación o difusión.
La capa anti-guía de ondas tiene preferiblemente una anchura lateral mayor que A/n2eff, preferiblemente mayor que 10 x A/n2eff, aún más preferiblemente mayor que 100 x A/n2eff.
La faceta de reflexión para reflejar la radiación emitida por la capa activa y la faceta de salida para reflejar y desacoplar la radiación emitida por la capa activa están dispuestas preferiblemente en la región del borde de la capa activa y se sitúan una frente a la otra en relación con la capa activa.
Preferiblemente, la capa activa es uniforme. Preferiblemente, la uniformidad de la capa activa se extiende a lo largo de toda su longitud, que está situada entre las facetas, incluso más preferiblemente a lo largo de toda su extensión. Uniformidad de la capa activa en el sentido de la presente solicitud significa que los parámetros de la capa (tales como composición química, dopaje, grosor de la capa, índice de refracción) se desvían entre sí en menos de un 10%, aún más preferiblemente en menos de un 5%, aún más preferiblemente en menos de un 1%, y de modo particularmente preferible no se desvían nada sobre dicha extensión en términos relativos (de máximo a mínimo).
Preferiblemente, la capa activa se extiende por toda el área comprendida entre la faceta de reflexión y la faceta de salida. Preferiblemente, la capa activa entra en contacto directo con la faceta de reflexión y también con la faceta de salida. La capa activa también puede espaciarse de las facetas en un intervalo entre 0 y 500pm, por ejemplo, mediante implantación, entremezclado o sobrecrecimiento, para evitar el fallo del láser debido a la destrucción de la(s) faceta(s).
Preferiblemente, la primera capa de revestimiento y la primera capa guía de ondas están dispuestas en un primer lado de la capa activa y la segunda capa guía de ondas y la segunda capa de revestimiento están dispuestas en un segundo lado opuesto de la capa activa.
Preferiblemente, el láser de diodo está diseñado como un láser de diodo emisor de borde.
Preferiblemente, las superficies de la faceta de reflexión y de la faceta de salida son planas. Preferiblemente, las superficies de la faceta de reflexión y la faceta de salida están dispuestas paralelas entre sí. Preferiblemente, el eje longitudinal de la primera capa guía de ondas y el eje longitudinal de la segunda capa guía de ondas son perpendiculares a las superficies de la faceta de reflexión y la faceta de salida. Las capas de guía de ondas en el sentido de la presente invención son preferiblemente las capas directamente adyacentes a la capa activa desde ambos lados. Las capas de revestimiento en el sentido de la presente invención son preferiblemente aquellas capas directamente adyacentes a las capas de guía de ondas, cada una de las cuales está orientada en sentido opuesto a la capa activa.
Preferiblemente, las capas de guía de ondas y las capas de revestimiento son uniformes. Preferiblemente, la uniformidad se extiende a lo largo de toda su longitud, que se encuentra entre las facetas, incluso más preferiblemente a lo largo de toda su extensión. Uniformidad en el sentido de la presente solicitud significa que los parámetros de capa (tales como composición química, dopaje, grosor de capa, índice de refracción) se desvían unos de otros en menos de un 10%, aún más preferiblemente menos de un 5%, aún más preferiblemente menos de un 1%, de modo particularmente preferible no se desvían nada sobre la extensión mencionada en términos relativos (de máximo a mínimo).
El índice de refracción de la primera capa de revestimiento es preferentemente inferior al índice de refracción de la primera capa guía de ondas. El índice de refracción de la segunda capa de revestimiento es preferiblemente menor que el índice de refracción de la segunda capa guía de ondas.
Preferiblemente, la primera capa guía de ondas y la segunda capa guía de ondas están formadas del mismo material.
Preferiblemente, se proporciona un sustrato portador sobre el que se construye dicha estructura de capas. Preferiblemente, las capas conductoras de tipo n están dispuestas en el lado de la capa activa que se enfrenta al sustrato portador, mientras que las capas de p-conductora están dispuestas en el lado de la capa activa que no se enfrenta al sustrato portador.
El láser de diodo según la invención se diseña preferentemente de manera que durante el funcionamiento se guíe al menos un modo lateral de orden superior además del modo básico lateral.
Preferiblemente, la primera capa guía de ondas en la zona activa por la que fluye corriente tiene un grosor de capa (lateralmente) uniforme y/o un índice de refracción (lateralmente) uniforme. Preferiblemente, la segunda capa guía de ondas en la zona activa por la que fluye corriente tiene un grosor de capa (lateralmente) uniforme y/o un índice de refracción (lateralmente) uniforme.
Preferiblemente, toda la capa anti-guía de ondas tiene un material que, en el intervalo de longitudes de onda comprendido entre 0,3 pm y 2 pm, tiene una absorción comprendida entre el 50% y el 200% de la absorción de las capas de guía de ondas.
Preferiblemente, la capa anti-guía de ondas está hecha de GaAs mediante la estructuración de una capa de contacto dispuesta por encima de la segunda capa de revestimiento, en cuyo caso la segunda capa de revestimiento está formada de tal manera que es posible el acoplamiento.
Breve descripción de los dibujos
La invención se explica con más detalle a continuación con referencia a ejemplos de realización.
La Fig. 1 muestra la distribución de intensidad del campo lejano lateral de un láser de banda ancha convencional a diferentes potencias de salida,
La Fig. 2a muestra una vista esquemática en sección de un diodo láser según la invención,
La Fig. 2b muestra las zonas del láser de banda ancha según la invención que son relevantes para determinar los valores de n f y neff2,
Las Fig. 3a - 3g muestran las diferentes posibilidades de implementación de la capa anti-guía de ondas como capa enterrada o como capa superficial,
La Fig. 4 muestra la dependencia de la pérdida resonante de los modos superiores laterales del grosor de capa de la capa anti-guía de ondas para un ejemplo de realización preferido, y
La Fig. 5 muestra la dependencia de los índices de refracción efectivos nleff en la zona activa y n 2 f en la zona al lado de la zona activa del grosor de capa de la capa anti-guía de ondas para diferentes modos superiores laterales.
Descripción detallada de los dibujos
La Fig. 2a muestra un láser de banda ancha según la invención en vista seccional esquemática.
El diodo láser según la invención tiene una estructura de capa vertical con un sustrato 28, una primera capa de revestimiento 14 de tipo n dispuesta sobre el mismo, una primera capa guía de ondas 12 de tipo n dispuesta sobre esta, una capa activa 10 dispuesta sobre esta, una segunda capa guía de ondas 16 de p-conductora dispuesta sobre esta y una segunda capa de revestimiento 18 de p-conductora dispuesta sobre esta.
Además, el diodo láser según la invención tiene, en los extremos opuestos (delantero y trasero), una faceta de reflexión (no mostrada en la vista en sección) con una reflectividad elevada para la longitud de onda central de la radiación emitida por la capa activa 10 y una faceta de salida (no mostrada en la vista en sección) con una reflectividad que permite desacoplar la radiación. La reflectividad de la faceta de reflexión es preferiblemente superior a 0,8, más preferiblemente superior a 0,9 e incluso más preferiblemente superior a 0,99. La reflectividad de la faceta de salida es menor que la reflectividad de la faceta de reflexión.
Además, el diodo láser según la invención tiene contactos 22 y 24 para la inyección de portadores de carga. La estructura formada de esta manera permite que los portadores de carga de una primera polaridad entren respectivamente en la capa activa 10 a través del primer contacto 22, la primera capa de revestimiento 14 (aquí conductora n) y la primera capa guía de ondas 12 (aquí conductora n) y que los portadores de carga de polaridad opuesta también entren respectivamente en la capa activa 10 a través del segundo contacto 24, la segunda capa de revestimiento 18 (aquí conductora p) y la segunda capa guía de ondas 16 (aquí conductora p) y se recombinen allí, causando así una emisión. Las facetas forman una cavidad que permite el funcionamiento del láser.
El diodo láser según la invención está diseñado como un láser de banda ancha, es decir, la anchura mínima de la zona activa es de 10 pm, más preferiblemente entre 20 y 800 pm, y aún más preferiblemente entre 30 y 400 pm. Se pueden alcanzar niveles de potencia elevados bombeando grandes áreas. La zona activa es el área encerrada entre los contactos 22, 24, y esta área está definida por la proyección vertical del contacto 24 menos ancho. Debido al calentamiento, particularmente en la zona activa directamente bajo la banda de contacto 24, se genera un guía de ondas inducida térmicamente, que excita de forma estable modos laterales de orden superior con el aumento de la potencia de salida, lo que puede dar lugar a un ensanchamiento lateral no deseado de la radiación emitida.
Para suprimir los modos laterales de orden superior, se proporciona una capa anti-guía de ondas 20 a ambos lados de la zona activa según la invención, en cuyo caso la capa anti-guía de ondas 20 tiene una distancia lateral dx desde la zona activa preferiblemente entre 0 y 50 |jm, más preferiblemente entre 5 y 50 |jm y aún más preferiblemente entre 10 y 50 jm y tiene un índice de refracción. Puede realizarse un desacoplamiento resonante de los modos laterales de orden superior, lo que conduce ventajosamente a una baja divergencia de campo lejano de la radiación emitida. La resonancia entre la guía de ondas central y las regiones anti-guía de ondas genera una pérdida muy grande, pero sólo si los modos de la zona de la banda y de las zonas anti-guía de ondas se solapan espacialmente. El uso de distancia lateral permite adaptar a la medida la fuerza de desacoplamiento y la consiguiente pérdida.
La Fig. 2b ilustra las dos regiones del láser de banda ancha según la invención que son relevantes para determinar los valores de n f y neff2.
Las Figs. 3a a 3g muestran las diferentes posibilidades de implementar las capas anti-guía de onda 20 como una capa enterrada o como una capa superficial. Como puede verse, las capas anti-guía de onda 20 pueden implementarse como una capa enterrada (Figs. 3a a 3c), en cuyo caso el láser de diodo no tiene guía de onda de cresta. Alternativamente, las capas anti-guía de ondas 20 pueden implementarse como una capa superficial (Figs. 3d a 3f), en cuyo caso puede formarse una guía de ondas de cresta. En las Figs. 3a a 3f, las capas anti-guía de ondas 20 están situadas verticalmente dentro de las capas de revestimiento 14, 18, preferiblemente dentro de la zona de las capas de guía de ondas 12, 16 (Figs. 3b y 3e). En la Fig. 3g se ilustra un ejemplo de realización alternativo. En ella, la capa anti guía de ondas 20 está situada por encima de la segunda capa de revestimiento 18 y la segunda capa de revestimiento 18 se selecciona de tal manera que sea posible el acoplamiento. La capa anti-guía de onda 20 está hecha de GaAs mediante la estructuración de una capa de contacto.
La Fig. 4 muestra la dependencia de la pérdida resonante de los modos laterales de 1er orden (26-1) a 5° orden (26 5) del grosor de capa (d) de la capa anti-guía de onda 20 para un ejemplo de realización preferido según la Fig. 3d. La estructura láser distinta de la capa anti-guía de ondas 20 corresponde exactamente a la estructura láser descrita por C.M. Schultz et al. en Electron. Lett. 46, 580 (2010); es decir, la estructura láser descrita por Schultz et al. no tiene capa anti-guía de onda. En el ejemplo de realización, la capa anti-guía de onda 20 consiste en germanio, que tiene un índice de refracción de nAWL = 5 y un coeficiente de extinción de kAWL = 0,3 a la longitud de onda de láser central de la capa activa de 975 nm. La anchura de la banda W del segundo contacto es de 10 jm , la distancia lateral dx = 0 y la distancia vertical de la capa activa es 10 y el grosor de la capa residual dres = 500 nm (para la definición de dx y dres, véase la Fig. 2).
Como puede observarse en la Fig. 4, se produce una pérdida resonante 30 en el caso de grosores de capa de la capa anti-guía de ondas 20 en el intervalo de 10 nm a 50 nm y de 120 nm a 230 nm. En particular, hay resonancias a 30 nm y 170 nm. Por lo tanto, existen diferentes grosores de capa de la capa anti-guía de ondas 20 en los que los modos laterales de orden superior pueden suprimirse de forma eficaz. La pérdida de los modos laterales superiores aumenta con el orden de los modos debido a su diversa expansión lateral - los modos laterales de orden superior se solapan espacialmente varias veces con el área de la capa anti-guía de onda 20.
La Fig. 5 muestra la dependencia del índice de refracción efectivo n1eff en la zona activa, por un lado, y del índice de refracción efectivo n 2 f en la zona lateral de la zona activa, por otro, del grosor de la capa anti-guía de ondas 20 para diferentes modos anti-guía de ondas de orden superior (34-1,34-2, 34-3). Sin embargo, el índice de refracción efectivo n2eff (34-1, 34-2, 34-3) varía en la zona al lado de la zona activa para los modos superiores individuales. El desacoplamiento eficaz de los modos superiores puede lograrse en particular para grosores de capa de la capa anti guía de ondas 20 para los que el índice de refracción efectivo n1eff y el índice de refracción efectivo n 2 f son iguales o casi iguales, es decir, las resonancias 30 están presentes. Este es el caso del modo anti-guía de onda de 1er orden a 30 nm y del modo anti-guía de onda de 2° orden a 170 nm.
Lista de símbolos de referencia
10 Capa activa
12 Primera capa de guía de ondas (n-conductora)
14 Primera capa de revestimiento (n-conductora)
16 Segunda capa de guía de ondas (p-conductora)
18 Segunda capa de revestimiento (p-conductora)
20 Capa anti-guía de ondas
22 Primer contacto
24 Segundo contacto
26 Modo superior lateral de orden superior
26-i Modo lateral superior de i-ésimo orden
28 Sustrato
30 Pérdida resonante
32 Resonancia
34-i Índice de refracción de los modos superiores laterales de i-ésimo orden W Anchura del segundo contacto
d Grosor de la capa anti-guía de onda
dx Distancia lateral entre la capa anti-guía de onda y la zona activa dRes Distancia vertical entre la capa anti-guía de onda y la capa activa

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un láser de diodo que comprende
un primer contacto (22) que tiene una primera anchura lateral para inyectar portadores de carga
una primera capa de revestimiento (14), en donde el primer contacto (22) se pone en contacto con la primera capa de revestimiento (14)
una primera capa guía de ondas (12) dispuesta sobre la primera capa de revestimiento (14);
una capa activa (10) adecuada para generar radiación y dispuesta sobre la primera capa guía de ondas (12) una segunda capa guía de ondas (16) dispuesta sobre la capa activa (10)
una segunda capa de revestimiento (18) dispuesta sobre la segunda capa guía de ondas (16); y
un segundo contacto (24) que tiene una segunda anchura lateral (W) para inyectar portadores de carga, en donde el segundo contacto (24) se pone en contacto con la segunda capa de revestimiento (18); la primera capa de revestimiento (14), la primera capa guía de ondas (12), la capa activa (10), la segunda capa guía de ondas (16), y la segunda capa de revestimiento (18) están formadas como una pila de capas que se extiende en una dirección longitudinal entre una faceta de salida y una faceta de reflexión; en donde la capa activa (10), el primer contacto (22) y el segundo contacto (24) se extienden respectivamente al menos parcialmente entre la faceta de salida y la faceta de reflexión; y la región encerrada conjuntamente entre los contactos (22, 24) gracias a la proyección perpendicular del segundo contacto (24) sobre el primer contacto (22) forma una zona activa por la que fluye corriente en caso de proyección en la dirección vertical;
en donde la capa activa (10), el primer contacto (22) y el segundo contacto (24) tienen respectivamente una anchura lateral (W) superior a 10 pm; la zona por la que fluye corriente en la región de la capa activa tiene una anchura superior a 10 pm, y una capa anti-guía de ondas (20) está dispuesta fuera de la zona activa en la pila de capas, y la capa anti guía de ondas (20) está diseñada para el desacoplamiento resonante de modos laterales de orden superior de la zona activa, en donde el índice de refracción de la capa anti-guía de ondas (20) es mayor que el índice de refracción mínimo de las capas de revestimiento (14, 22), y una distancia lateral mínima (dx) entre la capa anti-guía de ondas (20) y una proyección de uno de los contactos (22, 24) en el plano de la capa anti-guía de ondas (20) está comprendida entre 0 y 100 pm;
caracterizado porque
un grosor vertical (d) de la capa anti-guía de ondas (20) y el índice de refracción n de la capa anti-guía de ondas (20) cumplen la condición (1):
(1) 0 < ( n1eff - n2eff ) < 0.15
donde n1eff es el índice de refracción efectivo en la zona activa y n2eff es el índice de refracción efectivo en la región de la capa anti-guía de ondas (20).
2. Láser de diodo según la reivindicación 1, en el que
la capa anti-guía de ondas (20) está dispuesta completamente fuera de la zona activa encerrada entre los contactos (22, 24).
3. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
el grosor vertical (d) de la capa anti-guía de ondas (20) y el índice de refracción (n) de la capa anti-guía de ondas (20) cumplen la condición (2):
(2) 0<(n1ef f -n2eff )<0.10.
4. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
el grosor vertical (d) de la capa anti-guía de ondas (20) y el índice de refracción (n) de la capa anti-guía de ondas (20) cumplen la condición (3):
(3) 0 < ( n 1 etf — n2etf) < 0.05.
5. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
una distancia vertical mínima (dRes) entre la capa activa (10) y la capa anti-guía de ondas (20) es menor o igual que la suma del grosor de capa de la primera capa de revestimiento (14) y el grosor de capa de la primera capa guía de ondas (12), y/o
la distancia vertical mínima (dRes) entre la capa activa (10) y la capa anti-guía de ondas (20) es inferior a la suma del grosor de capa de la segunda capa de revestimiento (18) y del grosor de capa de la segunda capa guía de ondas (16).
6. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
la primera capa de revestimiento (14) y la primera capa guía de ondas (12) son n-conductoras y la segunda capa de revestimiento (18) y la segunda capa guía de ondas (16) son p-conductoras, en donde una distancia vertical mínima (dRes) entre la capa activa (10) y la capa anti-guía de ondas (20) está comprendida entre el 40% y el 100% del grosor de la capa de la segunda capa guía de ondas (16).
7. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la distancia lateral mínima (dx) entre la capa anti-guía de ondas (20) y el segundo contacto (22) está comprendida entre 0 y 50 pm, más preferentemente entre 5 y 50 pm, aún más preferentemente entre 10 y 50 pm.
8. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
la capa activa (10), el primer contacto (22) y el segundo contacto (24) tienen respectivamente una anchura lateral (W) comprendida entre 20 y 800 pm, más preferentemente entre 30 y 400 pm.
9. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
la capa anti-guía de ondas (20) está formada de germanio o de arseniuro de galio.
10. Láser de diodo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
la capa anti-guía de ondas (20) está formada a partir de GaAs mediante la estructuración de una capa de contacto dispuesta por encima de la segunda capa de revestimiento (18), en donde la segunda capa de revestimiento (18) está formada de tal manera que es posible el acoplamiento.
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