RU193300U1 - SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION - Google Patents

SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION Download PDF

Info

Publication number
RU193300U1
RU193300U1 RU2018110896U RU2018110896U RU193300U1 RU 193300 U1 RU193300 U1 RU 193300U1 RU 2018110896 U RU2018110896 U RU 2018110896U RU 2018110896 U RU2018110896 U RU 2018110896U RU 193300 U1 RU193300 U1 RU 193300U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wgm
resonator
resonators
ohmic contact
semiconductor
Prior art date
Application number
RU2018110896U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Александрович Ройз
Андрей Маркович Монахов
Елена Александровна Гребенщикова
Юрий Павлович Яковлев
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 RU2018110896U priority Critical patent/RU193300U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU193300U1 publication Critical patent/RU193300U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255Controlling the frequency of the radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/1071Ring-lasers
    • H01S5/1075Disk lasers with special modes, e.g. whispering gallery lasers

Abstract

Изобретение относится к технике полупроводниковых лазеров. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку (1) с первым резонатором (2) на модах шепчущей галереи (WGM) и вторым резонатором (3) на WGM в виде гетероструктур. Резонаторы (2), (3) оптически связаны и их, по меньшей мере, активные области соединены перемычкой (17) длиной L и шириной h, удовлетворяющим определенным соотношениям. Первый омический контакт (15) нанесен на поверхность полупроводниковой подложки (1), противолежащую поверхности с первым и вторым резонаторами (2, 3), а второй и третий омические контакты (11, 14) нанесены на торец соответственно первого и второго резонаторов (2, 3). Второй резонатор (3) со стороны, противоположной первому резонатору (2), выполнен усеченным по плоскости, параллельной его оси. Второй омический контакт (11) выполнен в форме полукольца, третий омический контакт (14) выполнен в форме части кольца, и на торец первого резонатора на WGM нанесен четвертый омический контакт (12) в виде полукольца, противолежащий второму омическому контакту (11). Технический результат заключается в обеспечении возможности направленного выведения излучения, повышения мощности излучения и увеличения ширины линии перестроения излучения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.The invention relates to techniques for semiconductor lasers. The semiconductor infrared radiation source includes a semiconductor substrate (1) with a first resonator (2) on whispering gallery modes (WGM) and a second resonator (3) on WGM in the form of heterostructures. Resonators (2), (3) are optically coupled, and their at least active regions are connected by a jumper (17) of length L and width h, satisfying certain relations. The first ohmic contact (15) is applied to the surface of the semiconductor substrate (1), the opposite surface with the first and second resonators (2, 3), and the second and third ohmic contacts (11, 14) are applied to the end face of the first and second resonators (2, 3). The second resonator (3) from the side opposite the first resonator (2) is truncated along a plane parallel to its axis. The second ohmic contact (11) is made in the form of a half ring, the third ohmic contact (14) is made in the form of a part of the ring, and the fourth ohmic contact (12) in the form of a half ring opposite to the second ohmic contact (11) is applied to the end of the first resonator on the WGM. The technical result consists in providing the possibility of directional removal of radiation, increasing the radiation power and increasing the width of the line of reconstruction of radiation. 3 s.p. f-ly, 5 ill.

Description

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике, точнее - к компактным источникам лазерного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн, а именно к полупроводниковым одночастотным источникам инфракрасного (ИК) излучения на основе лазера с резонатором на модах шепчущей галереи (Whispering Gallery Modes - WGM). Данные источники ИК-излучения находят применение в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах.The utility model relates to optoelectronic technology, more precisely, to compact sources of laser radiation in the infrared wavelength range, namely to semiconductor single-frequency sources of infrared (IR) radiation based on a laser with a whispering gallery resonator (Whispering Gallery Modes - WGM). These sources of infrared radiation are used in various fields of science and technology, in industry, namely in spectroscopy, in medicine, optical communication and information transfer systems, and in optical superfast computing and switching systems.

В настоящее время возникла острая потребность в одночастотных источниках излучения, работающих в спектральном диапазоне 1.6÷5 мкм для диодно-лазерных спектрометров высокого разрешения. В данном спектральном диапазоне лежат характеристические линии поглощения значительного числа ядовитых и вредных газов и жидкостей, взрывчатых веществ и т.п. Однако преимущества оптического детектирования таких веществ не используются в полной мере из-за отсутствия простых источников когерентного излучения на этот диапазон длин волн.Currently, there is an urgent need for single-frequency radiation sources operating in the spectral range of 1.6–5 μm for high-resolution diode laser spectrometers. In this spectral range, there are characteristic absorption lines of a significant number of toxic and harmful gases and liquids, explosives, etc. However, the advantages of optical detection of such substances are not fully utilized due to the lack of simple sources of coherent radiation over this wavelength range.

Активной областью полупроводникового лазера, работающего в средней ИК-области спектра, обычно является узкозонный полупроводник. В таких полупроводниках сильны (по сравнению с более широкозонными) процессы безызлучательной рекомбинации, что понижает коэффициент усиления в активной области. Следовательно, возрастают требования к добротности лазерного резонатора, заключающего в себе активную область и обеспечивающего обратную связь для вынужденного излучения света. Резонатор во многом определяет не только размер и форму лазера, но и параметры излучения: мощность, направленность и спектральные характеристики лазера.The active region of a semiconductor laser operating in the mid-IR region of the spectrum is usually a narrow-gap semiconductor. In such semiconductors, nonradiative recombination processes are strong (compared with wide-gap ones), which reduces the gain in the active region. Consequently, the requirements for the quality factor of a laser resonator, which encloses an active region and provides feedback for stimulated emission of light, are increasing. The resonator largely determines not only the size and shape of the laser, but also the radiation parameters: power, directivity and spectral characteristics of the laser.

В лазерах с резонаторами на WGM обратная связь осуществляется с замыканием луча света. Такие резонаторы используют эффект полного внутреннего отражения. В лазере с резонатором на WGM свет циркулирует по кругу внутри резонатора вдоль его периметра, многократно отражаясь от стенок под углом наклона, большим, чем критический угол для полного внутреннего отражения. Область локализации света в таком резонаторе составляет несколько длин волн от края резонатора. Потери света, обусловленные поглощением и рассеянием на шероховатостях поверхности, минимальны благодаря высокой добротности резонатора на WGM. Основным механизмом оптических потерь, обуславливающих пороговый ток, является рассеяние света на неоднородностях краев резонатора. В ИК-диапазоне из-за относительно большой длины волны качество границы «полупроводник-воздух» не так существенно, как для видимого диапазона. Преимущества лазеров с резонатором на WGM - технологичность, низкие значения порогового тока, высокая добротность резонатора, позволяющая использовать материалы для активной области с низким оптическим усилением.In lasers with WGM resonators, feedback is performed with the closure of the light beam. Such resonators use the effect of total internal reflection. In a laser with a WGM resonator, light circulates in a circle inside the resonator along its perimeter, repeatedly reflecting from the walls at an angle of inclination greater than the critical angle for total internal reflection. The region of localization of light in such a cavity is several wavelengths from the edge of the cavity. Light losses due to absorption and scattering on surface roughness are minimal due to the high quality factor of the WGM resonator. The main mechanism of optical losses causing a threshold current is the scattering of light by the inhomogeneities of the edges of the resonator. In the IR range, due to the relatively large wavelength, the quality of the semiconductor-air interface is not as significant as for the visible range. Advantages of lasers with a WGM resonator are their manufacturability, low threshold current values, and high Q-factor of the resonator, which allows using materials for the active region with low optical amplification.

Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. заявка US 2009154505, МПК H01S 3/10, опубликована 18.06.2009), включающий полупроводниковую подложку с двумя геометрически разнесенными резонаторами на основе соединений А3В5 с различающимися радиусами, оптически связанными пассивными волноводами, сплошной омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с резонаторами, и два кольцевых омических контакта, каждый из которых нанесен на торец соответствующего резонатора. Связь первого и второго резонаторов формирует новый дважды связанный резонатор, в котором стабильная лазерная осцилляция происходит только на резонансной длине волны, на которой два резонатора взаимодействуют на резонансной частоте.A semiconductor infrared radiation source is known (see application US 2009154505, IPC H01S 3/10, published June 18, 2009), including a semiconductor substrate with two geometrically spaced resonators based on A 3 B 5 compounds with different radii, optically coupled passive waveguides, a continuous ohmic the contact applied to the surface of the semiconductor substrate, the opposite surface with the resonators, and two ring ohmic contacts, each of which is applied to the end of the corresponding resonator. The coupling of the first and second resonators forms a new doubly coupled resonator, in which stable laser oscillation occurs only at the resonant wavelength at which the two resonators interact at the resonant frequency.

Недостатком известного источника инфракрасного излучения является сложность конструкции, так как, кроме резонаторов, в нем имеются еще два волновода (ввод и вывод), что обуславливает дополнительные оптические потери при передаче света по волноводу и усложняет технологию изготовления источника.A disadvantage of the known source of infrared radiation is the design complexity, since, in addition to the resonators, it has two more waveguides (input and output), which causes additional optical losses during the transmission of light through the waveguide and complicates the manufacturing technology of the source.

Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. патент ЕР 1737090, МПК G02B 6/12; G02F 1/01; H01S 5/10, H01S 5/06, опубликован 18.07.2012), включающий полупроводниковый излучатель для оптической накачки лазера, который передает свет через оптоволоконную линию на первый резонатор, содержащий нагревательные элементы, служащие для изменения длины волны. Первый резонатор оптически связан со вторым резонатором, который также содержит нагревательные элементы.A semiconductor source of infrared radiation is known (see patent EP 1737090, IPC G02B 6/12; G02F 1/01; H01S 5/10, H01S 5/06, published July 18, 2012), including a semiconductor emitter for optical pumping of a laser that transmits light through a fiber optic line to a first resonator containing heating elements used to change the wavelength. The first resonator is optically coupled to the second resonator, which also contains heating elements.

Недостатком известного полупроводникового источника является его сложная конструкция из-за наличия оптоволоконных линий, нагревательных элементов и пассивных резонаторов, которые вносят дополнительные оптические потери при передаче света по оптоволоконной линии от источника к резонатору. В известном полупроводниковом источнике управление длиной волны осуществляют за счет нагрева резонаторов.A disadvantage of the known semiconductor source is its complex design due to the presence of fiber optic lines, heating elements and passive resonators, which introduce additional optical losses when transmitting light along the fiber optic line from the source to the resonator. In a known semiconductor source, wavelength control is carried out by heating the resonators.

Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. заявка US 2017264079, МПК H01S 3/067, H01S 3/08, H01S 5/065, опубл. 14.09.2017), содержащий полупроводниковую подложку, на которой расположены лазерный диод и оптически соединенный с ним однонаправленный резонатор на WGM. Лазерный диод может быть выполнен в виде Фабри-Перо (ФП) лазерного диода, лазерного диода с распределенной обратной связью (РОС) и лазерного диода с распределенным брегговским отражателем (РБО).A semiconductor source of infrared radiation is known (see application US 2017264079, IPC H01S 3/067, H01S 3/08, H01S 5/065, published September 14, 2017) containing a semiconductor substrate on which a laser diode and a unidirectional optically connected to it are located resonator on WGM. The laser diode can be made in the form of a Fabry-Perot (FP) laser diode, a laser diode with distributed feedback (ROS) and a laser diode with a distributed Bragg reflector (RBO).

Недостатком известного полупроводникового источника является сложность его конструкции, поскольку для обеспечения одномодового режима генерации необходимо использовать сложные в изготовлении и дорогие РОС и РБО лазеры, а также интегрированный WGM-резонатор. При этом в данной конструкции отсутствует возможность перестройки линии генерации лазера.A disadvantage of the known semiconductor source is the complexity of its design, since it is necessary to use complex and expensive ROS and RBO lasers, as well as an integrated WGM resonator, to ensure single-mode generation. Moreover, in this design there is no possibility of tuning the laser generation line.

Известен перестраиваемый по длине волны лазер (см. патент US 7664156, МПК H01S 3/081; H01S 3/083, 16.02.2010), включающий подложку с оптически связанными и геометрически разнесенными кольцевыми резонаторами, в которые вводят свет по оптоволоконным линиям на кольцевые резонаторы. Для управления длиной волны кольцевых резонаторов используют нагревательные элементы.A wavelength tunable laser is known (see US Pat. No. 7,664,156, IPC H01S 3/081; H01S 3/083, 02/16/2010), including a substrate with optically coupled and geometrically spaced ring resonators into which light is introduced via fiber optic lines onto ring resonators . To control the wavelength of the ring resonators, heating elements are used.

Известный перестраиваемый по длине волны лазер содержит многочисленные дополнительные элементы, вводящие дополнительные оптические потери при передаче света по оптоволоконным линиям от источника света к кольцевым резонаторам.The known wavelength tunable laser contains numerous additional elements introducing additional optical losses during the transmission of light via fiber optic lines from the light source to the ring resonators.

Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (см. патент RU 2465699, МПК H01S 5/065, H01S 5/10, H01L 27/08, опубл. 27.10.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Полупроводниковый источник-прототип включает полупроводниковую подложку с двумя оптически связанными и взаимно перекрывающимися в области волноводов на глубину D резонаторами на WGM в виде гетероструктур, содержащих активную область, первый омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с резонаторами на WGM, и второй и третий кольцевые омические контакты. Второй и третий омические контакты нанесены на торец соответствующего резонатора. Расстояние от внешнего края второго и третьего омических контактов до внешнего края резонатора не превышает 100 мкм. Глубина D перекрытия резонаторов на WGM удовлетворяет соотношению: 0<D<10λк мкм, где λк - длина волны излучения (в кристалле) полупроводникового источника инфракрасного излучения, мкм; λк=λ/n, где n - показатель преломления полупроводникового кристалла.A known semiconductor source of infrared radiation (see patent RU 2465699, IPC H01S 5/065, H01S 5/10, H01L 27/08, publ. 10/27/2012), which coincides with this technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The semiconductor source prototype includes a semiconductor substrate with two optically coupled and mutually overlapping in the region of the waveguides to the depth D resonators on the WGM in the form of heterostructures containing the active region, the first ohmic contact deposited on the surface of the semiconductor substrate, the opposite surface with resonators on the WGM, and the second and the third ring ohmic contacts. The second and third ohmic contacts are applied to the end of the corresponding resonator. The distance from the outer edge of the second and third ohmic contacts to the outer edge of the resonator does not exceed 100 μm. The depth D of the overlap of the resonators on the WGM satisfies the relation: 0 <D <10λ to μm, where λ to is the radiation wavelength (in the crystal) of the semiconductor source of infrared radiation, μm; λ k = λ / n, where n is the refractive index of a semiconductor crystal.

В полупроводниковом источнике-прототипе излучение выходит со всех боковых поверхностей резонаторов за счет рассеяния на неоднородностях кристаллической решетки, в нем отсутствует возможность широкой перестройки линии генерации источника, а суммарная мощность излучения варьируется от 0,5 до 2,0 мВт, что существенно сужает спектр применений полупроводникового источника.In a prototype semiconductor source, radiation comes out from all the side surfaces of the resonators due to scattering on the inhomogeneities of the crystal lattice, it does not allow for wide tuning of the source generation line, and the total radiation power varies from 0.5 to 2.0 mW, which significantly narrows the range of applications semiconductor source.

Задачей настоящего технического решения является разработка полупроводникового источника инфракрасного излучения, который бы обеспечивал направленное выведение излучения, повышенную выходную мощность излучения и более широкое перестроение линии генерации излучения.The objective of this technical solution is to develop a semiconductor source of infrared radiation, which would provide directed radiation removal, increased output radiation power and a wider restructuring of the radiation generation line.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый источник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку с первым и вторым оптически связанными резонаторами на WGM в виде гетероструктур, содержащих активную область, первый омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с первым и вторым резонаторами на WGM, и второй и третий омические контакты, нанесенные на торец соответственно первого и второго резонаторов на WGM. Расстояние от внешнего края второго и третьего контактов до внешнего края соответственно первого и второго резонаторов на WGM не превышает 100 мкм. По меньшей мере активные области первого и второго резонаторов на WGM соединены перемычкой длиной L и шириной h, удовлетворяющим соотношениям:The problem is solved in that the semiconductor source of infrared radiation includes a semiconductor substrate with the first and second optically coupled resonators on the WGM in the form of heterostructures containing an active region, the first ohmic contact deposited on the surface of the semiconductor substrate, the opposite surface with the first and second resonators on the WGM, and second and third ohmic contacts applied to the end face of the first and second resonators on the WGM, respectively. The distance from the outer edge of the second and third contacts to the outer edge of the first and second resonators on the WGM, respectively, does not exceed 100 μm. At least the active regions of the first and second resonators on the WGM are connected by a jumper of length L and width h, satisfying the relations:

0<L<5λ;0 <L <5λ;

0<h<0,2⋅R;0 <h <0.2⋅R;

где λ - длина волны излучения (на воздухе) полупроводникового источника инфракрасного излучения, мкм;where λ is the radiation wavelength (in air) of the semiconductor source of infrared radiation, microns;

R - радиус резонатора, мкм.R is the radius of the resonator, microns.

Второй резонатор на WGM со стороны, противоположной первому резонатору на WGM, выполнен усеченным по плоскости, параллельной его оси, второй омический контакт выполнен в форме полукольца, третий омический контакт выполнен в форме части кольца, и на торец первого резонатора на WGM нанесен четвертый омический контакт в виде полукольца, противолежащий второму омическому контакту.The second resonator on the WGM from the side opposite the first resonator on the WGM is truncated in a plane parallel to its axis, the second ohmic contact is made in the form of a half ring, the third ohmic contact is made in the form of a part of the ring, and the fourth ohmic contact is applied to the end of the first resonator on the WGM in the form of a half ring opposite to the second ohmic contact.

Второй резонатор на WGM может быть усечен по диаметру резонатора.The second resonator on the WGM can be truncated along the diameter of the resonator.

Первый и второй резонаторы на WGM могут быть выполнены соответственно в виде диска и усеченного диска.The first and second resonators on the WGM can be made respectively in the form of a disk and a truncated disk.

Первый и второй резонаторы на WGM могут быть выполнены соответственно в виде кольца и усеченного кольца.The first and second resonators on the WGM can be made respectively in the form of a ring and a truncated ring.

Выбор граничных значений L и h обусловлен следующим. При величине L≥5λ излучение хуже перетекает из одного резонатора в другой, что затрудняет появление одномодового режима генерации. При h≥0,2⋅R резонатор уже слишком сильно деформирован, что приводит к появлению хаотических мод в резонаторе и срыву одномодового режима.The choice of the boundary values of L and h is due to the following. At L≥5λ, radiation flows from one resonator to another worse, which complicates the appearance of a single-mode lasing regime. For h≥0.2⋅R, the cavity is already too deformed, which leads to the appearance of chaotic modes in the cavity and the failure of the single-mode regime.

Второй омический контакт первого резонатора на WGM необходим для реализации управляемого поглотителя, четвертый омический контакт первого резонатора на WGM предназначен для накачки первого резонатора, а третий омический контакт предназначен для накачки второго усеченного резонатора на WGM.The second ohmic contact of the first resonator on the WGM is needed to implement a controlled absorber, the fourth ohmic contact of the first resonator on the WGM is used to pump the first resonator, and the third ohmic contact is used to pump the second truncated resonator on the WGM.

Выполнение второго резонатора на WGM усеченным по плоскости, параллельной его оси, со стороны, противоположной первому резонатору, выполнение второго омического контакта в форме полукольца, третьего омического контакта в форме части кольца и нанесение на торец первого резонатора на WGM четвертого омического контакта в виде полукольца, противолежащего второму омическому контакту, позволяет формировать два когерентных направленных лазерных пучка, уменьшает общую добротность резонансной системы полупроводникового источника, что обеспечивает повышение выходной мощности излучения и более широкое перестроение линии генерации излучения.The second resonator on the WGM truncated along a plane parallel to its axis, on the side opposite the first resonator, the second ohmic contact in the form of a half ring, the third ohmic contact in the form of a ring part and the fourth ohmic contact in the form of a half ring applied to the end of the first resonator on the WGM, opposite the second ohmic contact, allows the formation of two coherent directional laser beams, reduces the overall quality factor of the resonant system of a semiconductor source, which ensures This increases the output radiation power and wider restructuring of the radiation generation line.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:The present invention is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 показан вид сбоку на полупроводниковый источник инфракрасного излучения с двумя оптически связанными и соединенными перемычкой резонаторами на модах шепчущей галереи (WGM) соответственно в виде диска и усеченного диска;in FIG. 1 shows a side view of a semiconductor infrared source with two optically coupled and jumper-connected whispering gallery (WGM) resonators in the form of a disk and a truncated disk, respectively;

на фиг. 2 приведен вид сверху на полупроводниковый источник инфракрасного излучения, показанный на фиг. 1;in FIG. 2 is a plan view of the semiconductor infrared source shown in FIG. one;

на фиг. 3 схематически показана зонная диаграмма резонатора на WGM полупроводникового источника инфракрасного излучения, изображенного на фиг. 1 (Ec - зона проводимости, Ev - валентная зона);in FIG. 3 schematically shows a band diagram of a resonator on a WGM of the semiconductor infrared source shown in FIG. 1 (E c - conduction band, E v - valence band);

на фиг. 4 показан вид сбоку на полупроводниковый источник инфракрасного излучения с двумя связанными и соединенными перемычкой резонаторами на WGM соответственно в виде кольца и усеченного кольца;in FIG. 4 shows a side view of a semiconductor infrared radiation source with two resonators coupled and connected by a jumper on the WGM, respectively, in the form of a ring and a truncated ring;

на фиг. 5 приведен вид сверху на полупроводниковый источник инфракрасного излучения, показанный на фиг. 6.in FIG. 5 is a plan view of the semiconductor infrared source shown in FIG. 6.

Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку 1, например, из n-GaAs, InP, А2В6, на одной стороне которой сформированы, например (см. фиг. 1, фиг. 2), резонатор 2 на WGM в виде диска и резонатор 3 на WGM в виде усеченного диска. Резонаторы на WGM могут быть выполнены также (фиг. 4, фиг. 5) следующим образом: резонатор 4 на WGM в виде кольца и резонатор 5 на WGM в виде усеченного кольца. Резонаторы 2, 3, 4 и 5 на WGM выполнены из полупроводниковых гетероструктур. Резонаторы 2, 4 включают первый ограничительный слой 6, активную область 7, второй ограничительный слой 8, а также выполненные в виде полуколец первый контактный слой 9 и второй контактный слой 10, второй омический контакт 11 и четвертый омический контакт 12. Резонаторы 3, 5 включает первый ограничительный слой 6, активную область 7, второй ограничительный слой 8, а также выполненные в виде части колец третий контактный слой 13 и третий омический контакт 14. На другую сторону подложки 1 нанесен первый омический контакт 15. Расстояние от внешнего края омических контактов 11, 12, 14 до внешнего края соответственно резонаторов 2, 4 и резонаторов 3, 5 не превышает 100 мкм, Резонаторы 2, 3, 4 и 5 могут, например, содержать (см. фиг. 3) первый ограничительный слой 6 из n-Al0,9Ga0,1As0,08Sb0,92, активную область 7 из Al0,25Ga0,75As0,02Sb0,98 с двумя квантовыми ямами 16 из GaInAsSb, второй ограничительный слой 8 из p-Al0,9Ga0,1As0,08Sb0,92 и контактный слой соответственно 10 (13) из p-GaSb. Резонаторы 2, 4 оптически связаны соответственно с резонаторами 3, 5. По меньшей мере активные области резонаторов 2, 4 соединены соответственно перемычками 17, 18 длиной L и шириной h по меньшей мере с активными областями соответственно резонаторов 3, 5. Длина L и ширина h перемычек 17, 18 удовлетворяют соотношениям:The semiconductor source of infrared radiation includes a semiconductor substrate 1, for example, of n-GaAs, InP, A 2 B 6 , on one side of which are formed, for example (see Fig. 1, Fig. 2), the disk 2 on the WGM and resonator 3 on the WGM in the form of a truncated disk. Resonators on WGM can also be made (Fig. 4, Fig. 5) as follows: resonator 4 on WGM in the form of a ring and resonator 5 on WGM in the form of a truncated ring. Resonators 2, 3, 4 and 5 on WGM are made of semiconductor heterostructures. Resonators 2, 4 include a first restriction layer 6, an active region 7, a second restriction layer 8, as well as half-rings first contact layer 9 and second contact layer 10, second ohmic contact 11 and fourth ohmic contact 12. Resonators 3, 5 include the first limiting layer 6, the active region 7, the second limiting layer 8, as well as the third contact layer 13 and the third ohmic contact 14. The first ohmic contact 15 is applied to the other side of the substrate 1. The distance from the outer edge of the ohm contacts 11, 12, 14 to the outer edge of the resonators 2, 4 and the resonators 3, 5, respectively, does not exceed 100 μm, the Resonators 2, 3, 4 and 5 may, for example, contain (see Fig. 3) the first limiting layer 6 of n-Al 0.9 Ga 0.1 As 0.08 Sb 0.92 , active region 7 of Al 0.25 Ga 0.75 As 0.02 Sb 0.98 with two quantum wells 16 from GaInAsSb, second boundary layer 8 of p-Al 0.9 Ga 0.1 As 0.08 Sb 0.92 and a contact layer, respectively 10 (13) of p-GaSb. Resonators 2, 4 are optically coupled respectively with resonators 3, 5. At least the active regions of resonators 2, 4 are connected by jumpers 17, 18 of length L and width h, respectively, at least with the active regions of resonators 3, 5, respectively. Length L and width h jumpers 17, 18 satisfy the relations:

0<L<5λ;0 <L <5λ;

0<h<0,2⋅R.0 <h <0.2⋅R.

Полупроводниковый источник инфракрасного излучения работает следующим образом. При подаче на омические контакты 11, 12 и 14 импульсов напряжения прямоугольной формы (относительно заземленного омического контакта 15) длительностью 3-40 мкс определенной частоты (0.5-16 кГц) лазерная система входила в одномодовый режим генерации. Для обеспечения перестройки лазерной линии амплитуду питающих импульсов на омических контактах 12 и 14 фиксировали на одном уровне (4 В), а на омическом контакте 11 напряжение меняли в широких пределах (0-6 В), при этом система генерировала одну моду, которую можно было перестраивать в широких пределах (до

Figure 00000001
). Система имела два выходных лазерных пучка, выходящих с боковой поверхности резонатора 3 в местах скола структуры под омическим контактом 14. При подаче напряжения только на омические контакты 11 и 12 наблюдали многомодовый спектр излучения, при этом двух направленных пучков под омическим контактом 14 у резонатора 3 не наблюдали, так как резонатор 3 без подачи напряжения питания работает как поглощающий элемент. Излучение в данном случае выходит только с боковой поверхности резонатора 2. При подаче напряжение только на омический контакт 14 наблюдали многомодовый спектр излучения с двумя направленными лазерными пучками под омическим контактом 14 у резонатора 3.A semiconductor source of infrared radiation operates as follows. When 11, 12, and 14 voltage pulses of rectangular shape (relative to the grounded ohmic contact 15) with a duration of 3–40 μs of a certain frequency (0.5–16 kHz) were applied to the ohmic contacts, the laser system entered the single-mode generation mode. To ensure the tuning of the laser line, the amplitude of the supply pulses at the ohmic contacts 12 and 14 was fixed at the same level (4 V), and at the ohmic contact 11 the voltage was varied over a wide range (0-6 V), while the system generated one mode that could be rebuild over a wide range (up to
Figure 00000001
) The system had two output laser beams emerging from the side surface of the resonator 3 in the places of cleavage of the structure under the ohmic contact 14. When voltage was applied only to the ohmic contacts 11 and 12, a multimode emission spectrum was observed, while two directed beams under the ohmic contact 14 at the resonator 3 did not observed, since the resonator 3 without supply voltage operates as an absorbing element. The radiation in this case comes only from the side surface of the resonator 2. When applying voltage only to the ohmic contact 14, a multimode emission spectrum with two directed laser beams under the ohmic contact 14 near the resonator 3 was observed.

Пример 1. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включал полупроводниковую подложку из n-GaSb, на одной стороне которой были сформированы в виде гетероструктур: первый резонатор на WGM, в виде диска и второй резонатор на WGM в виде полудиска, оптически связанные и геометрически соединенные перемычкой длиной L=10 мкм и шириной h=10 мкм по всей высоте резонаторов. На другую сторону подложки был нанесен первый омический контакт. Резонаторы на WGM содержали (см. фиг. 1, фиг. 2) первый ограничительный слой из n-Al0,9Ga0,1As0,08Sb0,92, активную область из n-Al0,25Ga0,75As0,02Sb0,98 с двумя квантовыми ямами из n-Ga0.65In0.35As0.11Sb0.89, второй ограничительный слой из p-Al0,9Ga0,1As0,08Sb0,92, соответственно контактные слои из p-GaSb и омические контакты Cr-Au: Te-Au. На другую сторону подложки был нанесен омический контакт. На соответствующие омические контакты резонаторов подавались импульсы напряжения (длительность 3-40 мкс) с различными частотами (0,5-16 кГц), в результате чего резонаторы начинали работать на своей собственной частоте. При этом электромагнитная волна, циркулировавшая по кругу в волноводе каждого из резонаторов, перетекала по перемычке из одного резонатора в другой. Затем оба резонатора начинали генерировать излучение на одной и той же частоте, так как наиболее близкие по частоте моды каждого резонатора подстраивали свою частоту и входили в резонанс, а остальные моды гасли. Таким образом, начинал работать одночастотный источник ИК-излучения. Выходная мощность излучения была больше по сравнению с полупроводниковым источником-прототипом. При этом обеспечивалась перестройка линии генерации лазерного излучения на

Figure 00000001
.Example 1. The semiconductor source of infrared radiation included a semiconductor substrate of n-GaSb, on one side of which were formed in the form of heterostructures: the first resonator on WGM, in the form of a disk and the second resonator on WGM in the form of a half-disk, optically coupled and geometrically connected by a jumper of length L = 10 μm and a width of h = 10 μm over the entire height of the resonators. The first ohmic contact was applied to the other side of the substrate. Resonators on the WGM contained (see FIG. 1, FIG. 2) a first boundary layer of n-Al 0.9 Ga 0.1 As 0.08 Sb 0.92 , an active region of n-Al 0.25 Ga 0, 75 As 0.02 Sb 0.98 with two quantum wells of n-Ga 0.65 In 0.35 As 0.11 Sb 0.89 , the second boundary layer of p-Al 0.9 Ga 0.1 As 0.08 Sb 0.92 , respectively, contact p-GaSb layers and ohmic contacts Cr-Au: Te-Au. An ohmic contact was applied to the other side of the substrate. Voltage pulses (duration 3–40 μs) with different frequencies (0.5–16 kHz) were applied to the corresponding ohmic contacts of the resonators, as a result of which the resonators began to operate at their own frequency. In this case, the electromagnetic wave circulating in a circle in the waveguide of each of the resonators flowed over the jumper from one resonator to another. Then both resonators began to generate radiation at the same frequency, since the modes closest in frequency to each resonator tuned their frequency and entered the resonance, while the remaining modes were turned off. Thus, a single frequency source of infrared radiation began to work. The output radiation power was higher compared to the prototype semiconductor source. In this case, the tuning of the laser radiation generation line to
Figure 00000001
.

Пример 2. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения включал полупроводниковую подложку из n-GaSb, на одной стороне которой были сформированы в виде гетероструктур (аналогично примеру 1): первый резонатор на WGM, в виде кольца и второй резонатор на WGM в виде полукольца, оптически связанные и геометрически соединенные перемычкой длиной L=10 мкм и шириной h=10 мкм по всей высоте резонаторов. В диапазоне длин волн 2,26-2,27 мкм оба резонатора входили в резонанс и генерировали когерентное излучение на одной частоте. Таким образом, оба резонатора работали как одночастотный ИК-излучатель, формируя два когерентных направленных лазерных пучка. Выходная мощность излучения была больше по сравнению с полупроводниковым источником-прототипом. При этом обеспечивалась перестройка линии генерации лазерного излучения на

Figure 00000001
.Example 2. The semiconductor source of infrared radiation included a semiconductor substrate of n-GaSb, on one side of which were formed in the form of heterostructures (similar to example 1): the first resonator on WGM, in the form of a ring and the second resonator on WGM in the form of a half-ring, optically coupled and geometrically connected by a jumper with a length L = 10 μm and a width h = 10 μm over the entire height of the resonators. In the wavelength range of 2.26-2.27 μm, both resonators entered the resonance and generated coherent radiation at the same frequency. Thus, both resonators worked as a single-frequency infrared emitter, forming two coherent directional laser beams. The output radiation power was higher compared to the prototype semiconductor source. In this case, the tuning of the laser radiation generation line to
Figure 00000001
.

Claims (9)

1. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, включающий полупроводниковую подложку с первым и вторым оптически связанными резонаторами на модах шепчущей галереи (WGM) в виде гетероструктур, содержащих активную область, первый омический контакт, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с первым и вторым резонаторами на WGM, и второй и третий омические контакты, нанесенные на торец соответственно первого и второго резонаторов на WGM, причем расстояние от внешнего края второго и третьего контактов до внешнего края соответственно первого и второго резонаторов на WGM не превышает 100 мкм, отличающийся тем, что по меньшей мере активные области первого и второго резонаторов на WGM соединены перемычкой длиной L и шириной h, удовлетворяющим соотношениям:1. A semiconductor source of infrared radiation, including a semiconductor substrate with first and second optically coupled whispering gallery (WGM) resonators in the form of heterostructures containing an active region, a first ohmic contact deposited on the surface of the semiconductor substrate, an opposite surface with the first and second resonators on WGM, and the second and third ohmic contacts deposited on the end face of the first and second resonators on WGM, respectively, and the distance from the outer edge of the second and third contact acts to the outer edge of the first and second resonators on the WGM, respectively, does not exceed 100 μm, characterized in that at least the active regions of the first and second resonators on the WGM are connected by a jumper of length L and width h, satisfying the relations: 0<L<5λ;0 <L <5λ; 0<h<0,2⋅R;0 <h <0.2⋅R; где λ - длина волны излучения (на воздухе) полупроводникового источника инфракрасного излучения, мкм;where λ is the radiation wavelength (in air) of the semiconductor source of infrared radiation, microns; R - радиус резонатора, мкм;R is the radius of the resonator, microns; второй резонатор на WGM со стороны, противоположной первому резонатору на WGM, выполнен усеченным по плоскости, параллельной его оси, второй омический контакт выполнен в форме полукольца, третий омический контакт выполнен в форме части кольца, и на торец первого резонатора на WGM нанесен четвертый омический контакт в виде полукольца, противолежащий второму омическому контакту.the second resonator on the WGM from the side opposite the first resonator on the WGM is truncated in a plane parallel to its axis, the second ohmic contact is made in the form of a half ring, the third ohmic contact is made in the form of a part of the ring, and the fourth ohmic contact is applied to the end of the first resonator on the WGM in the form of a half ring opposite to the second ohmic contact. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что второй резонатор на WGM усечен по диаметру резонатора.2. The source according to claim 1, characterized in that the second resonator on the WGM is truncated along the diameter of the resonator. 3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй резонаторы на WGM выполнены соответственно в виде диска и усеченного диска.3. The source according to claim 1, characterized in that the first and second resonators on the WGM are made respectively in the form of a disk and a truncated disk. 4. Источник по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй резонаторы на WGM выполнены соответственно в виде кольца и усеченного кольца.4. The source according to claim 1, characterized in that the first and second resonators on the WGM are made respectively in the form of a ring and a truncated ring.
RU2018110896U 2018-03-27 2018-03-27 SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION RU193300U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110896U RU193300U1 (en) 2018-03-27 2018-03-27 SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110896U RU193300U1 (en) 2018-03-27 2018-03-27 SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU193300U1 true RU193300U1 (en) 2019-10-22

Family

ID=68315481

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018110896U RU193300U1 (en) 2018-03-27 2018-03-27 SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU193300U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5398256A (en) * 1993-05-10 1995-03-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Interferometric ring lasers and optical devices
US7242705B2 (en) * 2003-12-17 2007-07-10 Palo Alto Research Center, Incorporated Grating-outcoupled cavity resonator having uni-directional emission
RU2465699C1 (en) * 2011-06-16 2012-10-27 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Semiconductor infrared source (versions)
US20150214425A1 (en) * 2014-01-29 2015-07-30 Opel Solar, Inc. Optoelectronic Integrated Circuit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5398256A (en) * 1993-05-10 1995-03-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Interferometric ring lasers and optical devices
US7242705B2 (en) * 2003-12-17 2007-07-10 Palo Alto Research Center, Incorporated Grating-outcoupled cavity resonator having uni-directional emission
RU2465699C1 (en) * 2011-06-16 2012-10-27 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Semiconductor infrared source (versions)
US20150214425A1 (en) * 2014-01-29 2015-07-30 Opel Solar, Inc. Optoelectronic Integrated Circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5461637A (en) High brightness, vertical cavity semiconductor lasers
US7835417B2 (en) Narrow spectrum light source
US8249126B2 (en) Photonic crystal and surface emitting laser using such photonic crystal
JP6506663B2 (en) Quantum cascade laser
US9995876B2 (en) Configurable compact photonic platforms
US10205299B2 (en) External cavity laser comprising a photonic crystal resonator
US10666017B2 (en) Optoelectronic device based on a surface-trapped optical mode
JPH0744303B2 (en) Fiber optic laser
US20080310465A1 (en) Method and Laser Device for Stabilized Frequency Doubling
JP6559000B2 (en) Quantum cascade laser
JP2017050308A (en) Quantum cascade laser
EP3425755B1 (en) Surface light emitting laser
US20230223735A1 (en) Topologic insulator surface emitting laser system
JP2015175902A (en) Optical waveguide, spot size converter, polarization filter, optical coupler, optical detector, optical splitter, and laser element
RU193300U1 (en) SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION
RU2465699C1 (en) Semiconductor infrared source (versions)
RU181256U1 (en) SEMICONDUCTOR SOURCE OF INFRARED RADIATION
JP6895903B2 (en) Semiconductor laser device, diffraction grating structure, and diffraction grating
US20150071321A1 (en) High energy semiconductor laser
Gong et al. Lateral mode discrimination in surface emitting DBR lasers with cylindrical symmetry
JP2006162736A (en) Terahertz wave generating device
JP4203752B2 (en) Surface emitting semiconductor laser and method for manufacturing the same, optical switch, and optical branching ratio variable element
CN107710529B (en) Semiconductor laser and processing method thereof
JP2019191412A (en) Quantum cascade laser
RU2552386C1 (en) Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon