RU2035103C1

RU2035103C1 - Injection laser

Info

Publication number: RU2035103C1
Application number: RU93003840A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Давыдова; В.В. Поповичев; М.Б. Успенский; С.Е. Хлопотин; В.И. Швейкин; В.А. Шишкин
Original assignee: Швейкин Василий Иванович; Шишкин Виктор Александрович
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: injection laser is based on heterostructure of semiconductor compositions A^IIIB^IV and of their solid solutions with emitter layers and active region positioned between them, mesastrip with base placed into it with emitter layer closest to it and barrier layers of lead selenide. Shape and dimensions of mesastrip as well as size of opposite emitter layer are chosen properly. EFFECT: expanded field of application. 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, к лазерным и суперлюминесцентным источникам излучения, используемым в системах связи, считывания и записи информации, контрольно-измерительной аппаратуре, медицинской технике и т.д. The invention relates to semiconductor quantum electronics, to laser and superluminescent radiation sources used in communication systems, reading and recording information, instrumentation, medical equipment, etc.

Известна конструкция инжекционного лазера с гребневидным волноводом, сформированным в двойной гетероструктуре путем формирования мезаполоски с основанием, лежащим в ближайшем эмиттерном слое. В этом случае на боковых границах мезаполоски возникает скачок эффективного показателя преломления, обеспечивающий боковое оптическое ограничение излучения [1]
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является инжекционный лазер на основе гетероструктуры полупроводниковых соединений A^lllB^V и их твердых растворов с эмиттерными слоями и помещенной между ними активной областью, мезаполоской с основанием, расположенным в ближайшем к ней эмиттерном слое, и барьерными слоями из селенида цинка, расположенными на боковых поверхностях мезаполоски и прилегающих поверхностях эмиттерного слоя [2] Селенид цинка имеет более высокое объемное сопротивление (≈10⁷ Ом ˙см) и меньший, чем у AlGaAs, показатель преломления (n 2,58 при длине волны λ= 0,83 мкм). В результате ток утечки сквозь барьерный слой снижается до ничтожного значения, а под полоской образуется устойчивый гребневидный волновод с хорошим боковым оптическим ограничением, причем поглощение излучения в более широкозонном материале (ZnSe) практически отсутствует.A known design of an injection laser with a comb-shaped waveguide formed in a double heterostructure by forming a mesa strip with a base lying in the nearest emitter layer. In this case, a jump in the effective refractive index arises at the lateral boundaries of the mesoscale strip, providing lateral optical radiation limitation [1]
The closest in technical essence and the problem to be solved is an injection laser based on the heterostructure of semiconductor compounds ^Allll ^{V V} and their solid solutions with emitter layers and an active region placed between them, a mesa strip with a base located in the nearest emitter layer, and barrier layers of zinc selenide, disposed on the side surfaces and the adjacent surfaces mezapoloski emitter layer [2] zinc selenide has a higher volume resistivity (≈10 ˙sm ⁷ ohm) and less than that of AlGaAs, HALE refraction (n 2,58 at a wavelength of λ = 0,83 m). As a result, the leakage current through the barrier layer decreases to an insignificant value, and a stable comb-shaped waveguide with good lateral optical restriction is formed under the strip, and radiation absorption in the wider band gap material (ZnSe) is practically absent.

Отмеченные выше потенциальные возможности конструкции с барьерным слоем из ZnSe в данной работе полностью не реализованы. Можно выделить лишь высокое значение внешней квантовой эффективности (76%). Остальные параметры: пороговый ток 28 мА и линейность ватт-амперной характеристики до 15 мВт не удовлетворяют современным требованиям. Также в данной конструкции невозможно получить одномодовый характер генерации при уровнях мощности порядка 50-100 мВт. Максимальный скачок Δ n_эфф 2,2˙10^-3 недостаточен для создания оптимального оптического ограничения. Большая разность показателей преломления внутри волновода и вне его Δ n 3,5-2,6 из-за опасности возникновения поперечных колебаний не позволяет уменьшить ширину мезаполоски, необходимую для получения стабильного одномодового режима. Весьма затруднительно воспроизводимое изготовление приборов с мезаполоской конструкции, описанной в прототипе.The potential possibilities noted above for the design with a ZnSe barrier layer are not fully realized in this work. Only a high value of the external quantum efficiency (76%) can be distinguished. Other parameters: threshold current 28 mA and linearity of the watt-ampere characteristic up to 15 mW do not meet modern requirements. Also in this design it is impossible to obtain a single-mode character of generation at power levels of about 50-100 mW. The maximum jump Δ n _eff 2.2˙10 ^{-3 is} insufficient to create the optimal optical limitation. The large difference in the refractive indices inside and outside the waveguide Δ n 3.5-2.6 due to the risk of transverse vibrations does not allow to reduce the width of the mesa strip required to obtain a stable single-mode regime. It is very difficult to reproduce the manufacture of devices with mesopole design described in the prototype.

Техническим результатом изобретения является стабилизация одномодового режима генерации при повышении мощности излучения и улучшение пространственной диаграммы излучения. The technical result of the invention is the stabilization of the single-mode generation mode with increasing radiation power and the improvement of the spatial radiation pattern.

В настоящем инжекционном лазере мезаполоска имеет в поперечном сечении форму прямоугольника шириной 1.3 мкм с плавным расширением, начинающимся на расстоянии от основания не более чем 0,3 мкм, причем отношение ширины основания мезаполоски к ширине ее прямоугольной части лежит в диапазоне 1,5.3,0, а толщина противоположного эмиттерного слоя составляет не менее 2,5 мкм. In the present injection laser, the messtrip has a cross-sectional shape of a rectangle 1.3 microns wide with a smooth expansion starting at a distance from the base of no more than 0.3 microns, and the ratio of the width of the messtrip base to the width of its rectangular part lies in the range 1.5.3.0, and the thickness of the opposite emitter layer is at least 2.5 μm.

На чертеже показан предлагаемый лазер. The drawing shows the proposed laser.

Лазер содержит гетероэпитаксиальную четырехслойную структуру 1, эмиттеры 2 и 3, контактный слой 4, мезаполоску 5, барьерный слой 6 из ZnSe, активную область 7, диаграмму 8 излучения в плоскости p-n-перехода, подложку 9, слои 10 и 11 оптических контактов, расширенный контакт 12 и трехслойный волновод 13. The laser contains a heteroepitaxial four-layer structure 1, emitters 2 and 3, a contact layer 4, a mesa strip 5, a barrier layer 6 of ZnSe, an active region 7, a radiation pattern 8 in the pn junction plane, a substrate 9, layers of optical contacts 10 and 11, an extended contact 12 and a three-layer waveguide 13.

П р и м е р. В пятислойной эпитаксиальной структуре на λ 0,85 мкм составе контактный слой 4 GaAsp⁺⁺. Р-эмиттер 3 Al_0,6Ga_0,4As, волноводный слой Al_0,3Ga_0,7As, активная область 7 Al_0,05Ga_0,95As, волноводный слой Al_0,3Ga_0,4As, N-эмиттер 2 Al_0,6Ga_0,4As. Сформирована мезаполоска 5 шириной 2,8 мкм. Толщина Р-эмиттера 3 вне мезы составила 0,05 мкм, а начало плавного расширения мезы удалено от активной области на 0,2 мкм. Мезаструктура со сформированным полосковым омическим контактом слоя 10 была заращена слоем 6 ZnSе толщиной 0,4 мкм, а после его удаления со стороны эпитаксиальных слоев напылен расширенный контакт 12.PRI me R. In the five-layer epitaxial structure at λ 0.85 μm composition, the contact layer is 4 GaAsp ⁺⁺ . P emitter 3 Al _0.6 Ga _0.4 As, waveguide layer Al _0.3 Ga _0.7 As, active region 7 Al _0.05 Ga _0.95 As, waveguide layer Al _0.3 Ga _0.4 As N-emitter 2 Al _0.6 Ga _0.4 As. Formed messtrip 5 with a width of 2.8 μm. The thickness of the P-emitter 3 outside the Mesa was 0.05 μm, and the beginning of the smooth expansion of the Mesa was 0.2 μm from the active region. The mesastructure with the formed strip ohmic contact of layer 10 was overgrown with a 0.4 μm thick ZnSe layer 6, and after its removal from the side of the epitaxial layers, the expanded contact 12 was sprayed.

Формирование сплошного контакта Au-Ge-Au производилось по стандартной технологии. Затем пластина разделялась на элементы, которые напаивались на медный теплоотвод для испытаний. The formation of a continuous contact Au-Ge-Au was carried out according to standard technology. Then the plate was divided into elements that were soldered to a copper heat sink for testing.

Измерения дали следующие результаты, существенно превосходящие параметры лазеров, описанных в прототипе:
I_пор 20-25 мА
η_эфф 60-70%
Линейность ВТАХ до 80-100 мВт
Предельная мощность до 200 мВт
Угловая расходимость излучения 10х25^о
Астигматическая разность менее 5 мкм.The measurements gave the following results, significantly superior to the parameters of the lasers described in the prototype:
I _then 20-25 mA
η _eff 60-70%
VTAC linearity up to 80-100 mW
Ultimate power up to 200 mW
Angular divergence of radiation 10х25 ^о
Astigmatic difference less than 5 microns.

Проведенные экспериментальные исследования предложенного инжекционного лазера, как и показано в примере, позволили снизить пороговые токи, увеличить квантовую эффективность, улучшить линейность ватт-амперной характеристики, что позволило стабилизировать одномодовый режим регенерации при повышенных мощностях излучения (до 200 мВт в непрерывном режиме) и улучшить пространственную диаграмма излучения, приближая ее к окружности при снижении астигматизма. The experimental studies of the proposed injection laser, as shown in the example, made it possible to reduce threshold currents, increase quantum efficiency, improve the linearity of the watt-ampere characteristic, which made it possible to stabilize the single-mode regeneration mode at increased radiation powers (up to 200 mW in continuous mode) and improve the spatial radiation pattern, bringing it closer to a circle with a decrease in astigmatism.

Claims

INJECTION LASER based on the heterostructure of semiconductor compounds A ^I ^I ^I B ^V and their solid solutions with emitter layers and the active region placed between them, a mesa strip with a base located in the nearest emitter layer, and zinc selenide barrier layers located on the side surfaces mesapods and adjacent surfaces of the emitter layer, characterized in that the mesopodos has a cross-section in the form of a rectangle of 1 to 3 microns wide with a smooth expansion starting at a distance from the base not more than 0.3 μm, and the ratio of the width of the base of the mesa strip to the width of its rectangular part lies in the range of 1.5 to 3.0, and the thickness of the opposite emitter layer is at least 2.5 μm.