RU192784U1 - Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона - Google Patents

Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона Download PDF

Info

Publication number
RU192784U1
RU192784U1 RU2019122072U RU2019122072U RU192784U1 RU 192784 U1 RU192784 U1 RU 192784U1 RU 2019122072 U RU2019122072 U RU 2019122072U RU 2019122072 U RU2019122072 U RU 2019122072U RU 192784 U1 RU192784 U1 RU 192784U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
layer
distributed feedback
type
quantum
Prior art date
Application number
RU2019122072U
Other languages
English (en)
Inventor
Владислав Викторович Дюделев
Владимир Ильич Кучинский
Сергей Николаевич Лосев
Григорий Семенович Соколовский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2019122072U priority Critical patent/RU192784U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU192784U1 publication Critical patent/RU192784U1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H01S5/3438—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on In(Al)P

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Квантовый каскадный лазер на основе соединений А3В5 содержит подложку (2) из InP n-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой (3) InP n-типа проводимости, слой (4) нижней волноводной обкладки, на котором выполнен полосок (5). Полосок (5) включает последовательно сформированные квантово-каскадную активную область (6), дифракционную решетку (7) распределенной обратной связи, слой (8) верхней волноводной обкладки и верхний контактный слой (9) n-типа проводимости. На тыльной стороне подложки (2) и на верхнем контактном слое нанесены соответственно металлические контакты (1) и (10). Штрихи (11) решетки (7) распределенной обратной связи выполнены в форме эквидистантных дуг концентрических окружностей, при этом радиус Rпервой от центра окружности равен не менее 20⋅λ, а полосок (5) выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями (12) и (13) лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи (11) дифракционной решетки (7) распределенной обратной связи. В квантово-каскадном лазере исключен срыв одночастотной генерации из-за отражения от плоских выходных граней лазера. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронике, а именно к устройствам, генерирующим одночастотное лазерное излучение в среднем инфракрасном диапазоне.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка CN 101026287, МПК H01S 5/187, H01S 5/20, H01S 5/343, опубл. 29.08.2007), включающий подложку GaAs, на одной стороне которой нанесен нижний металлический контакт, а на другой стороне подложки сформирована нижняя волноводная обкладка, нижний волноводный слой, активная область, верхний волноводный слой, верхняя обкладка и верхний контактный слой на котором расположена дифракционная решетка распределенной обратной связи с прямыми штрихами.
Недостатком известного лазера является наличие поглощения в приконтактной области, что увеличивает потери, также такая конструкция не обеспечивает исключение негативного влияния на характеристики устройства отражения от плоских выходных граней.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка JP 2009054637, МПК H01S 5/12, H01S 5/227, H01S 5/343, опубл. 12.03.2009), содержащий подложку, на которой нанесен нижний волноводный контакт, нижняя обкладка волновода, волноводный слой, активная область, верхний волноводный слой, верхняя обкладка, контактный слой. На контактном слое изготовлена решетка распределенной обратной связи с прямыми штрихами и верхний металлический контакт.
Недостатком известного квантово-каскадного лазера является наличие поглощения в приконтактной области, что увеличивает потери, также в лазере не обеспечено исключение срыва одночастотной генерации из-за наличия отражения от плоских выходных граней.
Известен квантово-каскадный лазер (заявка JP 2018046128, МПК H01S 5/12, H01S 5/343, опубл. 22.03.2018), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Лазер-прототип содержит подложку из InP n+-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости, слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи и слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n+-типа проводимости. Полосок выполнен в форме равнобедренной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера. Эквидистантно расположенные штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме отрезков прямых линий. На тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое сформированы металлические контакты.
В лазере-прототипе для света, распространяющегося под углом к прямым штрихам, решетка распределенной обратной связи будет сохранять периодичность, что будет приводить срыву одночастотной генерации из-за наличия отражения от плоских выходных граней лазера и к появлению паразитных мод, поддерживающих брегговское отражение.
Задачей настоящего технического решения является разработка квантово-каскадного лазера, в котором бы исключался срыв одночастотной генерации из-за отражения от плоских выходных граней лазера.
Поставленная задача решается тем, квантово-каскадный лазер на основе соединений А3В5 включает подложку из InP n+-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости и слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости. На слое нижней волноводной обкладки выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи с эквидистантными штрихами, слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n+-типа проводимости. На тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое нанесены металлические контакты. Новым в квантово-каскадном лазер является то, что штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме дуг концентрических окружностей, при этом радиус первой от центра окружности равен не менее 20⋅λ, где λ - длина волны генерации, мкм, а полосок выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи.
Активная область может содержать от 10 до 100 квантовых каскадов.
Известно, что срыв одночастотной генерации в лазерах, содержащих дифракционную решетку распределенной обратной связи (РОС) происходит под влиянием сдвига фазы распространения света в структуре с РОС из-за возникновения отражения на выходных гранях лазерного чипа (W. Streifer, R.D. Burham, D.R. Scifres "Effect of External Reflectors on Longitudal Modes of Distributed Feedback Lasers", IEEE Journal of Quant. El., v. 11(4), p. 154-161, 1975). В настоящем лазере свет, распространяющийся перпендикулярно штрихам решетки, благодаря форме полоска, который в плане (сверху) представляет собой прямоугольную трапецию, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи, не испытывает отражения назад, (за исключением лишь края полоска перпендикулярного выходному зеркалу лазерного чипа), что в свою очередь исключает появление нежелательных интерференционных эффектов, присущих полупроводниковым лазерам с РОС. Параметры трапеции выбирают таким образом, чтобы площадь полоска не превышала 1 мм2, так как при большей площади требуются слишком большие токи для получения лазерной генерации, что может приводить к перегреву устройства. Таким образом, предлагаемая конструкция квантово-каскадного лазера позволяет исключить влияние отражения от плоских выходных граней на характеристики лазера с РОС.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан вид в плане (сверху) на квантово-каскадный лазер с частичным разрезом по уровню дифракционной решетки;
на фиг. 2 приведен вид спереди на квантово-каскадный лазер с частичным поперечным разрезом;
на фиг. 3 показан квантово-каскадный лазер в продольном разрезе.
Настоящий квантово-каскадный лазер (на фиг. 1 - на фиг. 3) содержит нижний металлический контакт 1, подложку 2 InP n+-типа проводимости, буферный слой 3 InP n-типа проводимости, слой 4, служащий нижней волноводной обкладкой на основе InGaAs, например, In0.53Ga0.47As, n-типа проводимости. На слое 4 выполнен полосок 5, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область 6 на основе соединений А3В5, дифракционную решетку 7 распределенной обратной связи, слой 8 верхней волноводной обкладки на основе InGaAs, например In0.53Ga0.47As, n-типа проводимости, верхний контактный слой 9 n+-типа проводимости и верхний металлический контакт 10. Слой 4 нижней волноводной обкладки, активнная область 6 и слой 8 верхней волноводной обкладки образуют лазерный волновод. Дифракционная решетка 7 распределенной обратной связи с периодом m⋅λ/2⋅N (где λ - длина волны генерации лазера, m - порядок дифракции, N - эффективный показатель преломления), с глубиной травления 10-100 нм. Штрихи 11 решетки 7 (фиг 1). распределенной обратной связи выполнены в форме эквидистантных дуг концентрических окружностей, при этом радиус R0 первой от центра окружности равен не менее 20⋅λ. В случае если R0 меньше 20⋅λ, то штрихи решетки становятся не эквидистантными, что затрудняет изготовление таких квантово-каскадных лазеров. Полосок 5 выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней выходной гранью 12 и задней выходной гранью 13 лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра О концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи 11 дифракционной решетки распределенной обратной связи. Боковые протравленные области полоска 5 покрывают диэлектриком 14 на основе SiO2, или Si3N4, или Al2O3.
Настоящий квантово-каскадный лазер работает следующим образом. При накачке лазера электрическим током, ток протекает через полупроводниковую структуру квантово-каскадного лазера, в результате чего возникает электролюминесценция на внутризонных переходах в квантовых каскадах квантово-каскадную активнной области 6. Свет, распространяясь по лазерному волноводу, испытывает многократные отражения от искривленных штрихов 11 решетки 7 распределенной обратной связи. После достижения порогового условия наступает лазерная генерация на одной продольной моде распределенной обратной связи, для которой пороговое усиление является наименьшим. Поддерживаемая такой распределенной оделенной обратной связью, лазерная мода распространяется перпендикулярно штрихам 11 решетки 7 распределенной обратной связи, представляющим собой дуги концентрических окружностей. В предлагаемом устройстве лазерное излучение, отражающееся от выходных граней 12 и 13 лазера, испытывает отражение под углом, не совпадающим с направлением распространения излучения моды распределенной обратной связи, что исключает влияние отраженного излучения от плоских выходных граней 12 и 13 лазера на одночастотный режим генерации.
Изготовленный макетный образец квантово-каскадного лазера показал устойчивую одночастотную генерацию вблизи 8 мкм.
Квантово-каскадный лазер может быть изготовлен эпитаксиальным выращиванием и пост ростовой обработкой, что обеспечивает сравнительную простоту технологического процесса и низкую себестоимость. Лазерные полоски формируют на гетероструктуре стандартными методами пост ростовой обработки полупроводниковых пластин. Готовые лазеры выкалывают из готовых структур.

Claims (2)

1. Квантово-каскадный лазер на основе соединений А3В5, содержащий подложку из InP n+-типа проводимости, на которой последовательно сформированы буферный слой InP n-типа проводимости, слой нижней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости, на котором выполнен полосок, включающий последовательно сформированные квантово-каскадную активнную область на основе соединений А3В5, дифракционную решетку распределенной обратной связи, слой верхней волноводной обкладки на основе InGaAs n-типа проводимости и верхний контактный слой n+-типа проводимости, металлические контакты, нанесенные соответственно на тыльной стороне подложки и на верхнем контактном слое, отличающийся тем, что штрихи решетки распределенной обратной связи выполнены в форме эквидистантных дуг концентрических окружностей, при этом радиус первой от центра окружности равен не менее 20⋅λ, а полосок выполнен в форме прямоугольной трапеции, основания которой являются передней и задней выходными гранями лазера, а боковые стороны представляют собой отрезки прямых, проведенных из центра концентрических окружностей, дугами которых являются штрихи дифракционной решетки распределенной обратной связи.
2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что активная область содержит от 10 до 100 квантовых каскадов.
RU2019122072U 2019-07-10 2019-07-10 Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона RU192784U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019122072U RU192784U1 (ru) 2019-07-10 2019-07-10 Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019122072U RU192784U1 (ru) 2019-07-10 2019-07-10 Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU192784U1 true RU192784U1 (ru) 2019-10-01

Family

ID=68162554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019122072U RU192784U1 (ru) 2019-07-10 2019-07-10 Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU192784U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199395U1 (ru) * 2020-04-27 2020-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150311665A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Board Of Regents, The University Of Texas System External cavity system generating broadly tunable terahertz radiation in mid-infrared quantum cascade lasers
US20170033536A1 (en) * 2015-07-29 2017-02-02 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
JP2018046128A (ja) * 2016-09-14 2018-03-22 株式会社東芝 量子カスケードレーザ装置
RU181198U1 (ru) * 2017-12-27 2018-07-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура квантово-каскадного лазера

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150311665A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Board Of Regents, The University Of Texas System External cavity system generating broadly tunable terahertz radiation in mid-infrared quantum cascade lasers
US20170033536A1 (en) * 2015-07-29 2017-02-02 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
JP2018046128A (ja) * 2016-09-14 2018-03-22 株式会社東芝 量子カスケードレーザ装置
RU181198U1 (ru) * 2017-12-27 2018-07-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура квантово-каскадного лазера

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199395U1 (ru) * 2020-04-27 2020-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8675705B2 (en) Diode laser and laser resonator for a diode laser having improved lateral beam quality
EP1075717A1 (en) Narrow spectral width high power distributed feedback semiconductor lasers
KR20130121974A (ko) 레이저 광원
JPS59144193A (ja) 半導体レ−ザ
US9502861B2 (en) Semiconductor laser
JPS59988A (ja) ヘテロ接合注入形レ−ザ
JP2010232424A (ja) 半導体光増幅装置及び光モジュール
JPH0669111B2 (ja) 自己整合性リブ導波路高出力レーザー
US20150207294A1 (en) Method for Producing a Radiation-Emitting Component and Radiation-Emitting Component
US8238398B2 (en) Diode laser, integral diode laser, and an integral semiconductor optical amplifier
KR20080102249A (ko) 반도체 레이저 장치
US4545057A (en) Window structure of a semiconductor laser
RU192784U1 (ru) Одночастотный квантово-каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона
US20060227818A1 (en) Fundamental-frequency monolithic mode-locked laser including multiple gain absorber pairs
US8548022B2 (en) Single-frequency distributed feedback laser diode with complex-coupling coefficient and transparent conductive cladding layer
JP2015046467A (ja) 半導体装置
RU2443044C1 (ru) Инжекционный лазер
Swint et al. Curved waveguides for spatial mode filters in semiconductor lasers
US7809041B2 (en) Surface emitting semiconductor laser
JPWO2018043229A1 (ja) 半導体レーザ素子
RU2361343C2 (ru) Импульсный инжекционный лазер
RU2704214C1 (ru) Вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом
RU2230410C1 (ru) Инжекционный лазер и лазерная диодная линейка
RU2444101C1 (ru) Инжекционный лазер
RU2685434C1 (ru) Инжекционный лазер

Legal Events

Date Code Title Description
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200413

Effective date: 20200413