RO116694B1

RO116694B1 - Dispozitiv cu efect laser de tip diodă, de mare putere, şi procedeu de obţinere

Info

Publication number: RO116694B1
Application number: RO97-01036A
Authority: RO
Inventors: Iulian Basarab Petrescu-Prahova
Original assignee: Iulian Basarab Petrescu-Prahova
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2001-04-30
Also published as: EP0917749A1; WO1998057401A1; AU7943798A; US6272161B1

Abstract

Dispozitiv cu efect laser de tip diodă (laseri diodă) cu ferestre neabsorbante, care se obţin din structuri asimetrice cu factor de confinare redus, structuri asimetrice care constau dintr-un ghid de undă şi o regiune activă în care are loc generarea de radiaţie, regiunea activă fiind situată asimetric faţă de ghidul de undă, la o extremitate a stratului central al ghidului de undă, în afară, la o margine sau în interiorul lui. Ferestrele neabsorbante se obţin prin corodarea parţială a structurii de straturi a laserilor diodă, prin corodare, înlăturându-se regiunea activă, dar o mare parte a structurii de straturi rămâne neafectată, şi prin procese de recreştere a unui material cu o structură cristalină adecvată şi neabsorbant pentru radiaţia emisă de laser. Prin procesele de corodare recreştere, proprietăţile optice ale ghidului de undă sunt reconstituite într-o mare măsură, astfel că radiaţia se propagă până la oglindă, într-un ghid de undă asemănător cu ghidul de undă din restul laserului diodă.

Description

RO 116694 Β

Invenția se referă la dispozitivele cu efect laser de tip diodă cu construcție asimetrică si cu factor de confinate redus, cu ferestre neabsorbante, și la un procedeu de obținere a acestor ferestre.

Este cunoscut faptul că degradarea catastrofică și degradarea lentă a ferestrelor dispozitivelor cu efect laser de tip diodă, oscilatori sau amplificatori, pe scurt laseri diodă, reprezintă factorii importanți care limitează funcționarea acestor laseri la puteri mari și la densități mari de putere ale radiației care traversează fereastra de ieșire. Degradarea catastrofică se produce practic instantaneu, când puterea radiației emise și densitatea de putere a radiației emise la oglindă în dreptul regiunii active depășesc anumite valori de prag. Valorile de prag ale densității de putere a radiației emise ce traversează regiunea activă și produc degradarea catastrofică (nivelul degradării catastrofice) sunt în mare măsură catacteristici de material. Nivelul degradării catastrofice este mai mic pentru regiuni active realizate din materiale care conțin Al, de exemplu AlGaAs, InGaAlP, sau alte materiale, și mai mare pentru regiuni active care nu conțin Al, de exemplu InGaAs, InGaAsP, sau alte materiale. în unele cazuri, degradarea lentă pornește de la oglinzi, având în cele din urmă, după scurgerea unui interval de timp, aceleași efecte ca și degradarea catastrofică, adică distrugerea iremediabilă a oglinzilor și a laserului. Pentru evitarea degradării este indicată funcționarea laserului la puteri sau densități de puteri de câteva ori mai mici decât nivelul degradării catastrofice.

Degradarea catastrofică este produsă de stări electronice la suprafața oglinzii de ieșire, stări de suprafață care modifică distribuția potențialului electric și fenomenele de absorbție a luminii în stratul superficial de la interfața material semiconductormediu exterior. Pentru a remedia efectele introduse de aceste stări de suprafață s-au imaginat mai multe soluții de realizare a ferestrelor pentru laserii diodă.

Sunt cunoscuți laseri diodă la care suprafața oglinzii laserului diodă, definită ca interfața între materialul semiconductor de tip A₃B₅, A₂B₆, sau alte materiale semiconductoare și mediul exterior, cel mai frecvent aerul înconjurător, este acoperită cu straturi subțiri din alte materiale. Există astfel propuneri pentru acoperirea oglinzii cu diferite feluri de oxizi, inclusiv oxizii naturali ai materialelor semiconductoare ale structurii laserului. Dezavantajul acoperirilor cu oxizi este că nu produc de regulă nivelul degradării catastrofice cel mai ridicat. Există propuneri pentru acoperirea oglinzii cu alte materiale semiconductoare, transparente la radiația emisă de laser, de exemplu ZnSe. Deși produce un nivel al degradării catastrofice foarte ridicat, dezavantajul acestei metode este că, pentru a avea cea mai mare eficiență și siguranță, depunerea altor materiale semiconductoare trebuie făcută în condiții foarte curate, de exemplu prin clivarea oglinzilor în vid foarte înalt și acoperirea lor imediată în aceste condiții de vid foarte înalt. Materialul semiconductor de acoperire este de regulă policristalin, alegerea condițiilor de depunere făcându-se astfel încât să se asigure □ compoziție apropiată de cea stoichiometrică.

Sunt, de asemenea, cunoscuți laseri diodă la care suprafața oglinzii se acoperă cu materiale semiconductoare din aceeași familie ca și materialele semiconductoare care alcătuiesc structura cu mai multe straturi a laserului diodă, de exemplu un material de tipul A^Ga^As în cazul structurilor realizate din mai multe straturi din sistemul A^Ga^As, sau un material de tipul ln_xGa₁._xAs_yP₁._y în cazul structurilor realizate din mai multe straturi din sistemul In^Ga^As^P^, sau alte materiale în cazul

RO 116694 B altor sisteme similare. în ambele cazuri, materialul de acoperire are banda interzisă mai mare decât banda interzisă a regiunii active, pentru a fi transparent la radiația emisă de laser. în această soluție materialul semiconductor de acoperire este de tip monocristalin, cu același tip de structură cristalină ca și materialele care alcătuiesc 50 structura laser, ceea ce asigură un minim al stărilor de interfață. Pentru depunerea acestui material semiconductor de acoperire, pe placheta semiconductoare care conține structura laserului, prin ferestre înguste de corodare formate în locul aproximativ unde vor fi viitoarele oglinzi, se corodează structura laser formată din regiunea activă și din celelalte straturi ale ghidului de undă și în locul materialului corodat se 55 depune noul material semiconductor de acoperire. Procesul de corodare-depunere poate fi un proces continuu, de exemplu corodare din soluții de Ga sau de In, cu recreștere imediată din aceleași soluții a unui material de tipul AlGaAs, InGaP, sau alte materiale. Dezavantajul acestei metode constă în aceea că, pentru a coroda regiunea activă și a o înlocui cu un alt material semiconductor, întregul ghid de undă este 60 afectat și structura ghidului de undă se întrerupe la interfața de corodare-recreștere, la o anumită distanță de suprafața oglinzii de ieșire. Dacă fâșia de corodare este îngustă [câțiva micrometri) radiația ce părăsește ghidul de undă întrerupt, ajunge la oglindă și este reflectată de către oglindă înapoi către ghidul întrerupt, poate fi în mare măsură captată de către ghidul întrerupt, atunci coeficientul de reflexie efectiv 65 poate să fie suficient de mare pentru a asigura feedbackul necesar funcționării ca oscilator, și pierderile în interiorul dispozitivului, dar în afara ghidului de undă, să fie suficient de mici. Dacă fâșia de corodare este mare [zeci de micrometri) atunci pierderile în afara ghidului sunt relativ mari. în acest din urmă caz, fasciculul divergent ce părăsește ghidul de undă, poate ajunge în propagare la suprafața contactului 70 metalic cel mai apropiat și să fie pierdut acolo, iar când atinge suprafața oglinzii poate avea o secțiune mare, mult mai mare decât secțiunea unei eventuale fibre optice cu care trebuie cuplat. □ fâșie de corodare îngustă, cu un pronunțat profil în adâncime, are dezavantajul că se realizează mai greu în practică, procesele de recreștere sunt mai dificile, iar clivarea ulterioară în interiorul unei fâșii înguste este mai dificilă. □ fâșie 75 de corodare lată are dezavantajul că mărește pierderile în interiorul dispozitivului și pe cele de cuplare și că micșorează coeficientul efectiv de reflexie.

Problema pe care o rezolvă invenția este realizarea de laseri diodă cu ferestre neabsorbante, cu un număr redus de stări de interfață, ferestre obținute prin procese de corodare-recreștere, procese care însă nu întrerup esențial proprietățile de so propagare ale ghidului de undă.

Dispozitivul cu efect laser de tip diodă cu ferestre neabsorbante, conform invenției, elimină dezavantajele altor soluții cunoscute prin aceea că:

- se obțin structuri asimetrice cu factor de confinare redus, structuri asimetrice care constau dintr-un ghid de undă format din mai multe straturi semi- ss conductoare cu proprietăți optice selectate și o regiune activă în care are loc generarea de radiație, regiunea activă fiind situată asimetric față de ghidul de undă, la o extremitate a stratului central al ghidului de undă, la o margine, sau în interiorul lui;

- ferestrele se obțin prin corodarea parțială a structurii de straturi a laserilor diodă, într-o fâșie așeazată perpendicular pe direcția de propagare, prin corodare 90 înlăturându-se regiunea activă, dar o mare parte a structurii de straturi rămânând neafectată, iar prin procesele de recreștere a unui material cu o structură cristalină

RO 116694 B adecvată și neabsorbant pentru radiația emisă de laser, proprietățile optice ale ghidului de undă sunt reconstituite într-o mare măsură;

- astfel, radiația se propagă până la oglindă într-un ghid de undă asemănător cu ghidul de undă din restul laserului diodă.

Laserul diodă cu ferestre neabsorbante, conform invenției, prezintă avantajele: - structurile de straturi adecvate înlocuirii parțiale a unor straturi, fără schimbarea esențială a ghidului de undă, sunt structuri cu factor de confinare redus, care pot funcționa la densități de putere și la puteri de ieșire foarte mari;

- materialul recrescut este cristalin și are proprietăți asemănătoare cu materialul înlocuit, producându-se un număr minim de stări de interfață între materialul nedizolvat și cel recrescut;

- propagarea luminii până la suprafața clivată se face fără pierderi prin radiație sau pierderi de recuplare la ghidul nedizolvat;

- în același proces de dizolvare-recreștere se pot obține atât ferestre cu proprietăți optice adecvate, cât și fâșia pentru propagarea longitudinală;

- compoziția stratului activ poate fi ea însăși un indicator pentru imediata oprire a corodării.

Se dau în continuare exemple de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1 ...6, care reprezintă:

- fig. 1, structură cu mai multe straturi;

- fig.2, o posibilă variație a indicelui de refracție;

- fig.3, corodarea și recreșterea unui strat de îmbrăcare IO';

- fig.4, structură fără strat de separare;

- fig.5, structură cu regiunea activă înglobată în stratul central ai ghidului de undă;

- fig.6, corodarea și recreșterea straturilor de îmbrăcare 1O'p și 10'n.

Dispozitivul cu efect laser de tip diodă cu ferestre neabsorbante, conform cu invenția, este constituit dintr-o structură asimetrică de tipul celei descrise în fig.1, formată pe un substrat 1 din mai multe straturi dintre care unele constituie regiunea centrală a ghidului de undă 2, umbrită mai slab în fig.1, altele constituie regiunea activă 3, umbrită mai intens în fig.1. Structura cu mai multe straturi se termină cu un strat de contact final 4. Radiația se produce cu preponderență în regiunea activă prin recombinarea perechilor de purtători de sarcină diferiți, electroni și goluri, injectați din interfețe injectoare, dintre care una 5, (reprezentată prin linie întreruptă) este de un tip de conductivitate, la această interfață unul din straturile alăturate având acel tip de conductivitate, și cealaltă 6 (reprezentată de asemenea prin linie întreruptă] este de celălalt tip de conductivitate, la această interfață unul din straturile alăturate are celălalt tip de conductivitate. Interfețele injectoare 5 și 6 sunt situate de o parte și de alta a regiunii active 3 și pot conține între ele o regiune nedopată sau intrinsecă. Dacă regiunea nedopată sau intrinsecă lipsește, având grosime zero, regiunea activă trebuie să fie suficient de aproape de interfețele 5 și 6, în acest caz suprapuse, de o parte sau alta a interfeței unice rezultate, pentru ca injecția de purtători minoritari în regiunea activă să fie eficientă. Regiunea activă conține straturi care au banda interzisă cea mai mică dintre toate straturile cuprinse între interfața injectoare 5 și interfața injectoare 6 sau în regiunile de injecție eficientă a purtătorilor minoritari.

RO 116694 Β

Regiunea activă 3 și unul dintre straturile injectoare 5 sau 6, sunt situate asimetric față de regiunea centrală a ghidului de undă 2, mai aproape de stratul de contact final 4. Stratul de contact final se continuă cu un contact metalic corespunzător 7. De 14 0 cealaltă parte a substratului, față de structura cu mai multe straturi, se află celălalt contact metalic 8. Prin cele două contacte metalice 7 și 8 structurii i se aplică o tensiune electrică U, care provoacă trecerea unui curent electric /.

Ghidul de undă este constituit din mai multe straturi, esențiale fiind stratul de îmbrăcate al substratului 9, stratul de îmbrăcare al contactului final 10 și stratul 145 central al ghidului de undă, sau regiunea centrală a ghidului de undă 2 situată între straturile de îmbrăcare 9 și 10. Cu referire la un sistem de coordonate ortogonal Oxyz, straturile structurii cu mai multe straturi sunt paralele cu planul yOz și radiația se propagă în direcția Oz, longitudinală. Direcția Dx, perpendiculară pe planul yOz este direcția transversală. Indicele de refracție al stratului central al ghidului de undă 2 150 este, pentru radiația laser în propagare, mai mare decât indicii de refracție ai straturilor de îmbrăcare 9 și 10. Dacă indicii de refracție ai straturilor de îmbrăcare nu sunt egali, este posibilă o tendință generală de descreștere monotonă a indicelui de refracție a straturilor de îmbrăcare 9 și 10, de la extremitatea către substrat a stratului de îmbrăcare al substratului 9 la extremitatea dinspre stratul contactului final 155 al stratului de îmbrăcare al contactului final 10. Dacă stratul de îmbrăcare 10 are indicele de refracție variabil în direcția transversală, indicele său de refracție cel mai mare este mai mic sau egal cu cel mai mic indice de refracție al stratului de îmbrăcare al substratului 9. în direcția transversală, maximul distribuției câmpului de radiație este atras către stratul central al ghidului de undă 2 de către umflătura ieo formată de indicele său de refracție, mai mare comparativ cu indicii de refracție ai straturilor adiacente, și este respins din direcția stratului de îmbrăcare 10 către stratul central de către variația descrescătoare menționată a indicelui de refracție din straturile de îmbrăcare 9 și 10 care va numită pe scurt perete optic.

în structura din fig.1 regiunea activă 3 este separată de regiunea centrală a ies ghidului de undă 2 de un strat de separare 11. Indicele de refracție ai stratului de separare, are o valoare intermediară între valoarea minimă a indicelui de refracție al stratului de îmbrăcare al substratului 9 și valoarea maximă a stratului de îmbrăcare al contactului final 10, sau poate să fie mai mic decât valorile indicilor de refracție ai straturilor de îmbrăcare a substratului în punctele din vecinătatea stratului de 170 separare. în orice caz, dacă indicii de refracție ai straturilor de îmbrăcare nu sunt constanți și egali între ei, se păstrează o eventuală tendință generală de descreștere a indicelui de refracție al straturilor de îmbrăcare a substratului 9 și a stratului de îmbrăcare al contactului final 10, de la extremitatea către substrat a stratului de îmbrăcare al substratului 9 la extremitatea dinspre stratul contactului final a stratului 175 de îmbrăcare al contactului final 10. în fig.2 este descrisă o posibilă variație a indicelui de refracție într-o structură cu strat de separare. Indicii de refracție sunt numiți corespunzător cu numerele straturilor la care corespund astfel că n_g este indicele de refracție al stratului de îmbrăcare a stratului 9, n_3max este valoarea maximă a indicelui de refracție al regiunii de îmbrăcare a substratului 9 etc. Cu linie punctată este iso descrisă tendința generală de descreștere menționată, care exceptează umflăturile

RO 116694 B regiunii centrale și ale regiunii active și o eventuală groapă în dreptul regiunii de separare. Structura descrisă, datorita construcției asimetrice și a selecției proprietăților optice și geometrice ale straturilor componente, se caracterizează prin aceea că maximul distribuției câmpului de radiație este atras către mijlocul stratului central al ghidului de undă 2 și îndepărtat de regiunea activă 3, unde radiația este produsă. Selecția proprietăților optice și geometrice ale regiunii ghidului de undă și ale regiunii active se referă la mărimea umflăturilor celor două regiuni relativ la indicele de refracție cel mai mare n_9mai(, din stratul de îmbrăcare al substratului 9, și la respingerea maximului distribuției câmpului de radiație către regiunea centrală 2 de către un perete optic ce poate fi construit din sau în interiorul stratului de îmbrăcare IO.

Mărimea umflăturilor, fie cea a regiunii centrale a ghidului de undă 2, formată între stratul de îmbrăcare al substratului 9 și stratul de separare 11, fie cea a regiunii active 3 formată între stratul de separare 11 și stratul de îmbrăcare 10, se definește ca fiind egală cu suma grosimilor elementare ale acestor umflături Δχ, înmulțită cu rădăcina pătrată a diferenței pătratului indicelui de refracție al unei regiuni elementare cu pătratul indicelui de refracție n_{g maK}:

mărimea umflăturii = £ (η^Ξ-η_{9 max} ²)^1/2 Δχ

Pentru ca structura cu mai multe straturi să nu accepte decât modul fundamental transversal, suma mărimilor umflăturilor trebuie să fie mai mică decât λ/4, unde λ este lungimea de undă în vid a radiației laser. Pentru ca maximul distribuției câmpului de radiație să fie atras către mijlocul stratului central 2, mărimea umflăturii regiunii centrale a ghidului de undă 2 este, de regula, mult mai mare decât mărimea umflăturii regiunii active 3.

Pentru formarea ferestrelor neabsorbante, structura asimetrică este corodată parțial, într-o fâșie de corodare 12 așezată perpendicular pe direcția de propagare □z, așa cum este ilustrat în fig.3, înlăturându-se stratul contactului final 4, stratul de îmbrăcare 10, straturile regiunii active 3. Prin această corodare se înlătură regiunea activă 3, dar se păstrează intactă regiunea centrală a ghidului de undă 2. După corodare se recrește un strat de îmbrăcare 10', similar cu stratul de îmbrăcare 10 corodat anterior. Recreșterea se poate continua până la planarizarea plachetei. în urma proceselor de corodare-recreștere, de-a lungul laserului apar două structuri de straturi, structura inițială și structura recrescută. Cele două structuri de straturi sunt separate de un perete de separare 13. Structura recrescută de straturi este separată de mediul exterior de o fereastră de ieșire 14.

Pentru structuri de straturi planare, care nu sunt delimitate sau modificate în direcția laterală Oy, modurile ce se propagă de-a lungul direcției de propagare Oz, sunt caracterizate de o distribuție a câmpului de radiație perpendiculară pe direcția transversală Ox, distribuție descrisă de funcția E[x). în direcția Oy funcția se presupune constată. Modurile de propagare sunt diferite pentru structura inițială și pentru structura recrescută. Ele diferă prin distribuțiile câmpurilor de radiație, notate cu E(x) și E’[x] și prin indicii de refracție efectivi pentru propagarea în direcția Oz, notați cu n_efși n'_ef. Structurile asimetrice formate conform cu invenția se caracterizează prin aceea că cele două funcții de distribuție sunt foarte asemănătoare între ele și că indicii de refracție efectivi au valori apropiate.

RO 116694 B măsură a gradului de asemănare a funcțiilor de distribuție este coeficientul de acoperire definit ca:

coeficient de acoperire: |£ Ε[χ]*.Ε’(χ]ΔχΙ unde s-a considerat că funcțiile de distribuție E[x) și E'[x] sunt funcții normate la unitate. 230

Un coeficient de acoperire aproape de unitate asigură pierderi reduse în modurile de radiație la trecerea prin suprafața de separare 13, astfel că radiația ce se propagă în modul fundamental al structurii inițiale de straturi să se propage în continuare aproape în întregime în modul fundamental al structurii recrescute de straturi.

Valori apropiate ale indicelui de refracție efectiv asigură o reflexie minimă a 235 radiației la suprafața de separare 13.

Interfața 13 fiind o suprafață de separare între două materiale semiconductoare foarte asemănătoare între ele, stările de suprafață pe interfața 13 sunt minime, ceea ce asigură un nivel mare pentru densitatea de putere în dreptul regiunii care produce degradarea catastrofică. La fereastra de ieșire 14, unde nu există o regiune 240 activă, densitatea de putere care produce degradarea catastrofică este încă și mai mare.

în tabelul 1 se prezintă o structură de straturi cu strat de separare realizată din materiale din sistemul AțGa^As, iar în tabelul 2, o structură de straturi cu strat de separare realizată din materiale din sistemul InGaAsP. Indicii de refracție sunt cei 245 ce corespund la radiația emisă în regiunea activă. în tabele sunt prezentați numai factorii de confinare ai regiunilor active. Valorile factorului de confinare gama, 1.02% respectiv 1.03% sunt .mai mici decât factorul de confinare al structurilor comerciale cu confinare separată [SCH], Prin corodare, straturile din tabel scrise pe fond cenușiu sunt înlocuite cu straturi de îmbrăcare recrescute 10', Aceste straturi pot avea corn- 250 poziții identice cu compoziția stratului de îmbrăcare dizolvat 10, sau pot avea compoziții asemănătoare, dar ajustate.

Prin procesul de corodare-recreștere a unor straturi 10' identice cu straturile 10 corodate, se obțin structuri de straturi pentru care funcțiile de distribuție ale câmpului de radiație au coeficienți de acoperire de 0.9989, respectiv de 0.9968, iar 255 indicii efectivi de propagare se modifică de la 3,3716 la 3.3688, respectiv de la 3.2241, la 3.2193, ·.

Tabelul 1

Nr.	Denumire	Numerotare în text	Indice de compoziție, x	Grosime' [pm]	Indice de refracție	Factor gama [%]
1	substrat	1	□.00	100	3.64
2	îmbrăcare	9	0.40	1.50	3.35
3	central	2	0.30	0.25	3.42
4	de separare	11	0.40	0.10	3.35
5	activ	3	0.00	0.01	3.64	1.02
6	îmbrăcare	10	.0.40	1.50	3.35
7	contact final	4	0.00	0.10	3.64

260

265

RO 116694 Β

Tabelul 2

Nr.	Denumire	Număr în text	Compoziția	Banda Eq (eV)	Grosime (pm)	Indice de refracție	Factor gama (%]
1	substrat	1	GaAs	1.43	0.00	3.55
2	îmbrăcare	9	^lnO.49^Gao.5iP	1.90	1.50	3.20
3	central	2	InGaAsP	1.77	0.30	3,27
4	de separare	11	ln_Q49Ga_{0 51}P	1,90	0.10	3.20
5	activ	3	ln₀ 8^S	1.26	0.01	3.70	1.03
6	îmbrăcare	10	Ι^ΠΟ.49^θΟ 51 P	1.90	1.50	3,20
7	contact final	4	GaAs	1.43	0.10	3,55

In afară de structura cu mai multe straturi cu strat de separare, descrisă în fig. 1 și 3, sunt posibile și alte structuri asimetrice cu factor de confinare redus, în care să fie posibile procese de corodare și recreștere.

în fig.4 este descrisă o structură cu mai multe straturi fată strat de separare, în care regiunea activă 3 este situată asimetric față de ghidul de undă, la extremitatea mai apropiată de stratul contactului final 4 a stratului central 2. în fig.5 este descrisă o structură cu mai multe straturi în care regiunea activă 3 este înglobată în stratul central 2, la extremitatea mai apropiată de stratul contactului final 4. Toate aceste structuri se caracterizează prin faptul că, datorită construcției asimetrice și a selecției proprietăților optice și geometrice ale straturilor componente, maximul distribuției câmpului de radiație este atras către mijlocul stratului central 2 și îndepărtat de regiunea activă 3, unde radiația este produsă. Selecția proprietăților optice și geometrice ale regiunii ghidului de undă și ale regiunii active se referă la mărimea umflăturilor celor două regiuni relativ la indicele de refracție cel mai mare n_gmax, din stratul de îmbrăcare al substratului 9, și la respingerea maximului distribuției câmpului de radiație către regiunea centrală 2 de către un perete optic ce poate fi construit din sau în interiorul stratului de îmbrăcare al contactului final IO.

în tabelul 3 se prezintă o structură de straturi fără strat de separare realizată din materiale din sistemul AțGa^As, iar în tabelul 4 o structură de straturi fără strat de separare realizată din materiale din sistemul InGaAsP. Prin procesul de corodare și de recreștere a unor straturi de îmbrăcare 10' de AI_O4OGa_O6OAs, respectiv de ln₀₄₃Ga₀₅₁P, identice cu stratul de îmbrăcare 10, corodat, se obțin structuri de straturi pentru care funcțiile de distribuție ale câmpului de radiație au coeficienți de acoperire de 0.9980, respectiv de 0.9970, iar indicii efectivi de propagare se modifică de la 3.3735 la 3.3709, respectiv de la 3.2304 la 3.2235.

RO 116694 B

Tabelul 3 305

Nr.	Denumire	Numerotare în text	Indice de compoziție, x	Grosime [pm]	Indice de refracție	Factor gama (%)
1	substrat	1	□.OD	100	3.64
2	îmbrăcare	9	0.40	1.50	3.35
3	central	2	0.30	0.27	3.42		310
4	activ	3	0.00	0,01	3.64	1.64
5	îmbrăcare	10	0.40	1.50	3.42
6	contact final	4	.0.00	0.10	3.64

Tabelul 4 315

Nr.	Denumire	Număr în text	Compoziția	Banda E_g (eV)	Grosime (pm)	Indice de refracție	Factor gama (%)
1	substrat	1	GaAs	1.43	0.00	3.55
2	îmbrăcare	9	^0.49^0,51^	1,90	1,50	3,20
3	central	2	InGaAsP	1.77	0.35	3.27		320
4	activ	3	ln_{0 3}Ga₀ gAs	1.26	0,01	3.70	1.46
5	îmbrăcare	10	ln₀₄₉Ga_{0 51}P	1.90	1.50	3,20
6	contact final	4	GaAs	1.43	0.10	3.55

în tabelul 5 se prezintă o structură de straturi cu regiunea activă înglobată în 325 stratul central al ghidului de undă realizată din materiale din sistemul A^Ga^^s, iar în tabelul 6, o structură de straturi cu regiunea activă înglobată în stratul central al ghidului de undă realizată din materiale din sistemul InGaAsP. Stratul central al ghidului de undă 2 continuă de cealaltă parte a regiunii active cu stratul central al ghidului de undă 2'. Prin procesul de corodare și de recreștere a unor straturi 10' de 330 AI_D40Ga_aBDAs, respectiv de 1^496¾₅₁P, identice cu stratul de îmbrăcare 10, corodat, se obțin structuri de straturi pentru care funcțiile de distribuție ale câmpului de radiație au coeficienți de acoperire de 0.9950, respectiv de 0.9904, iar indicii efectivi de propagare se modifică de la 3.375S la 3.3688, respectiv de la 3.2317 la 3.2193. 335

Tabelul 5

Nr.	Denumire	Numerotare în text	Indice de compoziție, x	Grosim e (pm)	Indice de refracție	Factor gama [%]
1	substrat	1	0.00	100	3,64
2	îmbrăcare	9	0.40	1.50	3.35		340
3	centrai	2	0,30	0.25	3.42
4	activ	3	0.00	0.01	3.64	1.80
5	central	2'	0.30	0.02	3.42
6	îmbrăcare	10	0.40	1.50	3.35
7	contact final	4	0.00	0,10	3.64		345

RO 116694 B

Tabelul B

Nr.	Denumire	Număr în text	Compoziția	Banda E_g (eV)	Grosime (pm)	Indice de refracție	Factor gama (%]
1	substrat	1	GaAs	1,43	100	3.55
2	îmbrăcare	9	^0.49^¾.51P	1.90	1.50	3.20
3	central	2	InGaAsP	1.77	0,30	3,27
4	activ	3	ln_O2Ga_O8As	1.26	0.01	3.70	1.76
5	central	2'	InGaAsP	1.77	0,05	3.27
6	îmbrăcare	10	ln₀₄₉Ga_{D 51}P	1.90	1.50	3.20
7	contact final	4	GaAs	1.43	0.10	3.55

Pentru structurile prezentate în tabelele 1 ...6, coeficienții de acoperire pentru funcțiile de distribuție ale structurilor inițiale și cele ale structurilor dizolvate-recrescute sunt foarte apropiați de unitate, în limita unui procent. De asemenea, indicii de refracție efectivi sunt foarte apropiați între ei, diferențele fiind mai mici de 1%.

în cel mai simplu caz, cel descris de tabelele 1 ...6, straturile dizolvate au fost înlocuite cu un singur strat recrescut 10', omogen din punctul de vedere al tipului de conductibilitate. în fig.6 este arătată o primă extensie a invenției. Stratul recrescut poate fi împărțit în două substraturi 1O’p și 1O'n, dintre care unul are tipul de conductibilitate p iar celălalt are tipul de conductibilitate n. Joncțiunea p-n astfel creată va fi polarizată invers la polarizarea directă a laserului diodă. Este cu atât mai bine cu cât joncțiunea p-n astfel creată se situează cât mai aproape de nivelul interfeței injectoare 6, dizolvate. în felul acesta, prin formarea unei joncțiuni p-n, polarizată invers în procesele de recreștere, se asigură izolarea electrică în zona dizolvată și recrescută, care nu mai conține regiunea activă.

altă extensie a invenției se referă la dizolvarea fâșiei de corodare pentru formarea ferestrei simultan cu formarea prin dizolvare a unei fâșii longitudinale pentru propagarea în modul fundamenta! lateral, Formarea fâșiei longitudinale se face prin dizolvarea unor straturi adiacente fâșiei, aceleași ca cele dizolvate în fâșia de corodare a oglinzii, urmată de recreșterea stratului deîmbrăcare IO'. Prin aceasta în interiorul fâșiei indicele efectiv de propagare este n_fl iar în regiunile adiacente exterioare indicele efectiv de propagare este n_ad. Pentru structura din tabelul 1, dacă stratul de îmbrăcare 10' este identic cu stratul de îmbrăcară 10, n_t=3,3716 și n_ad=3.3688. Diferența între cei doi indici de refrație efectivi este 0.0028. Stratul deîmbrăcare 10' poate avea o compoziție și un indice de refracție ajustate la lățimea fâșiei care este destinată funcționării în modul fundamental lateral. Valorile ajustate sunt puțin diferite de cele ale stratului deîmbrăcare 10, inițial, pentru a produce un indice de refracție efectiv n_ad' mai apropiat de valoarea n_f.

Lățimea fâșiei d, care permite funcționarea numai în modul fundamental, depinde de factorul de confinare și de câștigul modal. Cu cât factorul de confinare și câștigul modal sunt mai mici, cu atât procesele de autofocalizare și de formare a filamentelor sunt mai slabe și dimensiunea filamentelor este mai mare. De exemplu, structurile cu un factor de confinare 1% pot opera în fâșii cu lățimea d de 10 pm, aproximativ egală cu dimensiunea filamentelor formate prin autofocalizare.

RO 116694 Β

Dacă între lățimea fâșiei d și indicii de refracție efectivi n_fJ n_ad există o relație de tipul:

d[n_f ³-n_sd ²)^1/2=kÂ unde k este aproximativ D.7D-D.D8, atunci, în direcția laterală, modul fundamental lateral este bine localizat în interiorul fâșiei, modul de ordinul 1 are pierderi laterale mari, iar modul de ordinul 2 este tăiat. Pentru o fâșie de 10 pm și lungimea de undă de 0.85 pm, condiția anterioară impune ca diferența între indicii de refracție efectivi să fie ajustată la 0.0005-0,0006. O astfel de diferență se poate obține dacă indicele de refracție al stratului 10' este ajustat la 3.357, adică indicele de compoziție al stratului de îmbrăcare recrescut 10' este 0.39, în locul indicelui de refracție al stratului de îmbrăcare inițial 10 care a fost 0.40. Integrala de acoperire scade de la 0.9989 la 0.9988.

în felul acesta, prin dizolvare simultană a fâșiilor de corodare pentru formarea ferestrelor și a regiunilor adiacente fâșiei longitudinale și prin recreșterea unui strat de Îmbrăcare cu proprietăți selectate se obține o variație preselectată a diferenței indicilor de refracție efectivi, al fâșiei longitudinale și al regiunilor adiacente, care să asigure funcționarea fâșiei longitudinale în modul fundamental lateral.

într-un alt exemplu, va fi prezentată o structură în care stratul de îmbrăcare 10 are indicele de refracție mai mic decât indicele de refracție al stratului de îmbrăcare 9, astfel că se obține efectul de perete optic menționat anterior.

Exemplul va fi construit cu materiale din sistemul A^Ga^As și este prezentat în tabelul 7. Datorită efectului peretelui optic, factorul de confinare se reduce la 0.75%. Un laser diodă cu un factor de confinare redus poate funcționa cu un câștig modal redus, astfel că lărgimea fâșiei care este ajustată la dimensiunea filamentelor formate prin autofocalizare poate fi mai mare. Pentru o fâșie lată de 15 pm, diferența dintre indicii de refracție efectivi ai fâșiei longitudinale și ai regiunilor adiacente, pentru a asigura operarea în modul fundamental lateral, trebuie să fie de 0.00035-0.00045, ceea ce se poate realiza printr-o selecție corespunzătoare a indicelui de compoziție al stratului de îmbrăcare recrescut 10'. Pentru structura din tabelul 7, dacă stratul de îmbrăcare 10', recrescut, este identic cu stratul de îmbrăcare 10, dizolvat, diferența dintre indicii de refracție efectivi ai fâșiei longitudinale și ai regiunilor adiacente este 0.0028. Dacă indicele de compoziție al stratului recrescut se ajustează la 0.53 și indicele de refracție al stratului de îmbrăcare recrescut 10' se ajustează la 3.26, atunci diferența între indicii de refracție efectivi este 0.0004 și se poate obține funcționarea în modul fundamental lateral pentru o fâșie lată de 15 pm.

390

395

400

405

410

415

420

425

Tabelul 7

Nr.	Denumire	Numerotare în text	Indice de compoziție, x	Grosime [pmj	Indice de refracție	Factor gama [%)
1	substrat	1	0.00	100	3.64
2	îmbrăcare n	9	0.40	2.00	3.35
3	central	9	0.30	0.27	3.42
4	activ	3	0.00	0.01	3.64	0.76
5	îmbrăcare p	10	0.60	1.50	3.21
6	contact final	4	0.00	0.10	3.64

430

435

RO 116694 B într-un alt exemplu, va fi prezentată o structură în care stratul de separare 11 are indicele de refracție mai mic decât indicii de refracție ai straturilor de îmbrăcare 9 și 10. în acest caz, stratul de separare acționează ca o barieră de lumină. Structurile cu stratul de separare ca barieră de lumină, au factorul de confinare mai mic decât al structurilor în care stratul de separare are același indice de refracție ca și straturile de îmbrăcare 9 și 10.

în tabelul 8 este prezentat un astfel de exemplu, cu strat de separare care acționează ca barieră de lumină, construit cu materiale din sistemul AțGa^As. Structura are, de asemenea, un factor de confinare redus, de 0.7%, care poate opera cu un câștig modal redus. Lărgimea fâșiei care este ajustată la dimensiunea filamentelor formate prin autofocalizare poate fi mai mare. Pentru o fâșie lată de 15 pm, diferența dintre indicii de refracție efectivi ai fâșiei longitudinale și ai regiunilor adiacente, pentru a asigura operarea în modul fundamental lateral, trebuie să fie de 0.00035-0.00045. Această diferență se poate obține dacă stratul de îmbrăcare recrescut 10' are un indice de compoziție ajustat la 0.387 și indicele de refracție ajustat la 3.359.

Tabelul 8

Nr.	Denumire	Numerotare în text	Indice de compoziție, x	Grosime [pm]	Indice de refracție	Factor gama [%]
1	substrat	1	0.00	100	3.64
2	îmbrăcare n	9	0,40	1.50	3.35
3	central	2	0.30	0.25	3.42
4	de separare	11	0.50	0.10	3.28
5	activ	3	0.00	0.01	3.64	1.70
6	îmbrăcare p	ID	.0.40	1.50	3.35
7	contact final	4	0.00	0.10	3.64

Efectul de perete optic sau cel de barieră de lumină, indus de stratul de separare, au ca rezultat reducerea accentuată a factorului de confinare. Aceste efecte pot fi utilizate pentru a compensa creșterea factorului de confinare dacă se dorește construirea unui laser diodă cu o regiune activă mai lată, care să permită funcționarea optimă la densități mai mari de curent, în regim pulsat.

Prin acțiunea separată sau combinată a unei structuri asimetrice, a peretetului optic și a barierei optice, se pot obține structuri cu factor de confinare foarte redus. Invenția se referă în special la structuri cu factor de confinare ce are valori mai mici decât 2%, valori neobișnuit de mici în comparație cu structurile de laseri diode uzuale.

Exemplele prezentate reprezintă punctual câteva dintre posibilitățile de construcție a ferestrelor la diode laser conform invenției și dintre posibilitățile de obținere a fâșiilor longitudinale cu proprietăți optice adecvate funcționării în modul fundamental lateral.

în realizareaîn practică a invenției, este important controlul tehnologic riguros al adâncimii de corodare. Pentru a ușura acest control se poate folosi ca indicator una

Claims

RO 116694 B dintre proprietățile fizice sau chimice sensibilă la compoziția straturilor, inclusiv încetinirea corodării pentru o anumită compoziție. Corodarea se oprește sau continuă iso controlat de la momentul în care □ valoare preselectată pentru indicatorul de corodare a fost atinsă.

în realizarea în practică a invenției este de asemenea important ca interfața 13 să fie cât mai curată. Acest deziderat se poate atinge dacă procesele de corodare recreștere se fac prin procedeele epitaxiei lichide, din soluții de Ga, In sau alte metale. 485

Revendicări

1. Dispozitiv cu efect laser de tip diodă de mare putere, cu ferestre neabsorbante, caracterizat prin aceea că are o structură asimetrică formată pe un substrat 490 (1] pe care se creează o regiune centrală a unui ghid de undă [2], o regiune activă (3), un strat de îmbrăcare a substratului [9], care creează de o parte a regiunii centrale a ghidului de undă [2] o interfață injectoare [5] de un tip de conductivitate identic cu unul din straturile alăturate, iar de cealaltă parte a zonei centrale [2] și a regiunii active [3], asimetric față de regiunea centrală (2) a ghidului de undă, o altă interfață 495 injectoare(6) de celălalt tip de conductivitate, identic cu al unuia dintre straturile alăturate, urmată de un strat de îmbrăcare (10) al unui strat de contact final (4), regiunea activă (3) fiind separată de regiunea centrală a ghidului de undă (2) printr-un strat de separare (11), cu indicele de refracție având o valoare intermediară între valoarea minimă a indicelui de refracție al stratului [9] și valoarea maximă a indicelui de 500 refracție al stratului (10), structura fiind închisă între două contacte metalice, unul (8] aplicat pe suportul (1) și altul (7) aplicat pe stratul de contact final (4).
2. Dispozitiv conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, într-o altă variantă constructivă, interfețele injectoare [5, 6) sunt suprapuse și plasate de o parte sau de alta a regiunii active [3], 505
3. Dispozitiv conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, într-o altă variantă constructivă, regiunea activă (3) și regiunea centrală a ghidului de undă [2] sunt în contact direct, fără stratul de separare [11], iar regiunea activă [3] este situată asimetric față de ghidul de undă, la extremitatea mai apropiată de contactul final [4], 510
4. Dispozitiv conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că regiunea activă (3) este înglobată în regiunea centrală [2], la extremitatea mai apropiată de stratul contactului final (4),
5. Dispozitiv conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că maximul distribuției câmpului de radiație pe direcție transversală este atras către regiunea 515 centrală a ghidului de undă [2] de către umflătura formată de indicele său de refracție, mai mare comparativ cu indicii de refracție din straturile adiacente, și este respins din direcția stratului de îmbrăcare a contactului final [10] către regiunea centrală (2) de către variația descrescătoare a indicelui de refracție dinspre stratul de îmbrăcare al substratului (9) către stratul de îmbrăcare a contactului final [10], 520 formând astfel un perete optic.

RO 116694 Β
6. Dispozitiv conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că, într-o altă variantă, stratul de separare (11) are un indice de refracție mai mic decât indicii de refracție ai straturilor de îmbrăcate [9, 10) și acționează ca o barieră de lumină.
7. Dispozitiv conform oricăreia dintre revendicările anterioare, caracterizat prin aceea că factorul de confinate are valori sub 2%.
8. Procedeu de realizare a ferestrei neabsorbante pentru dispozitivul conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că formarea ferestrei neabsorbante se realizează prin corodarea parțială a unei fâșii (12), așezată perpendicular pe direcția de propagare Oz, în această fâșie înlăturându-se stratul contactului final (4), stratul de îmbrăcate (10) și stratul regiunii active (3), dar păstrându-se intactă regiunea centrală a ghidului de undă (2), după care are loc o recreștere a unui strat de îmbrăcate (10') similar cu stratul corodat anterior, reconstituind într-o mare măsură proprietățile optice ale ghidului de undă, recreșterea continuând până la planarizarea plachetei, între structura inițială și structura recrescută creându-se un perete de separare (13), separarea de exterior a structurii recrescute fiind realizată de o fereastră de ieșire (14], iar procesele de corodare-recreștere realizându-se prin epitaxie lichidă în soluții metalice.
9. Procedeu conform revendicării 8, caracterizat prin aceea că procesul de epitaxie lichidă are loc în soluție de galiu.
10. Procedeu conform revendicării 8, caracterizat prin aceea că procesul de epitaxie lichidă are loc în soluție de indiu.
11. Procedeu conform revendicării 8, caracterizat prin aceea că adâncimea procesului de corodare este controlată, folosind ca indicator una dintre proprietățile fizice sau chimice sensibilă la compoziția straturilor și care permite încetinirea corodării pentru o anumită compoziție, astfel încât corodarea se oprește în momentul în care indicatorul de corodare a ajuns la o valoare preselectată.
12. Procedeu conform revendicării 11, caracterizat prin aceea că procesul de corodare poate continua controlat și după ce indicele de corodare a atins valoarea prestabilită.
13. Procedeu conform revendicării 8, caracterizat prin aceea că, pentru a se asigura izolarea electrică în zona fără regiune activă, într-o altă variantă, recreșterea stratului de îmbrăcate [10') se face din două substraturi (10'n, 1O'p) cu tip de conductibilitate diferită, ceea ce creează o joncțiune p-n polarizată invers.
14. Procedeu conform revendicării 8, caracterizat prin aceea că, pentru funcționarea în modul fundamental lateral, dizolvarea fâșiei de corodare pentru formarea ferestrei are loc simultan cu formarea prin dizolvare a unei fâșii longitudinale, formarea fâșiei longitudinale făcându-se prin dizolvarea unor straturi adiacente fâșiei, aceleași ca cele dizolvate în fâșia de corodare a ferestrei, urmată de recreșterea stratului de îmbrăcate [10'], cu o compoziție și un indice de refracție ajustate la lățimea fâșiei longitudinale.

Președintele comisiei de examinare: ing. Popescu Livia

Examinator: ing. Dumitru Daniela