RU2095901C1

RU2095901C1 - Multichannel semiconductor laser

Info

Publication number: RU2095901C1
Application number: RU93018754A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Сычугов; Александр Валентинович Тищенко; Глеб Владимирович Сычугов
Original assignee: Владимир Александрович Сычугов; Александр Валентинович Тищенко; Глеб Владимирович Сычугов
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: optoelectronics; optical communications and data processing systems. SUBSTANCE: output end of laser is coated with two insulating layers one of which functions as single- mode waveguide and other one is buffer layer that optically isolates waveguide from medium with high refraction index. Waveguide layer is corrugated with period Λ = λ/n^*, where n^* is RMS refraction index of waveguide mode. Waveguide corrugation provides for narrow-band light reflection in direction normal to its surface and light spread over this waveguide widens reflected light beam. This aids in coherent light generation throughout entire sectional area of active region resulting in its low divergence in p-n junction plane. EFFECT: reduced width of radiation line, improved operating reliability, reduced size, facilitated manufacture. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники, волоконной оптики и лазерной техники. Оно может быть использовано, в частности, в системах оптической связи и обработки информации. The invention relates to the field of optoelectronics, fiber optics and laser technology. It can be used, in particular, in optical communication systems and information processing.

Известны полупроводниковые лазеры с шириной области излучения, составляющей 100 мкм и более, что обеспечивает большую выходную их мощность. Основной проблемой таких лазеров является создание узкой, близкой к дифракционной

диаграммы направленности их выходного излучения в плоскости p-n перехода, что достигается использованием в активной области лазера полосковых волноводов с модами утечки. Моды утечки синхронизуют отдельные каналы генерации лазера между собой. Однако в результате этого происходит повышение порога генерации такого типа лазеров [1]
Известен также волноводный лазер, в котором для обеспечения низкой расходимости излучения в плоскости волновода предлагается использовать двумерное брэгговское зеркало типа уголкового отражателя [2] Однако, практическая реализация полупроводникового лазера такого типа в настоящее время затруднена, так как проблема ликвидации диссипативных потерь в таком зеркале пока не решена.Semiconductor lasers with a radiation region width of 100 μm or more are known, which provides a large output power thereof. The main problem of such lasers is the creation of a narrow, close to diffraction

radiation patterns of their output radiation in the pn junction plane, which is achieved by using strip waveguides with leakage modes in the active region of the laser. Leakage modes synchronize individual laser generation channels with each other. However, as a result of this, the generation threshold of this type of lasers increases [1]
A waveguide laser is also known in which, to ensure low divergence of radiation in the plane of the waveguide, it is proposed to use a two-dimensional Bragg mirror such as an angular reflector [2] However, the practical implementation of a semiconductor laser of this type is currently difficult, since the problem of eliminating dissipative losses in such a mirror is not yet resolved.

Известна система полупроводниковых лазеров, активные области которых объединены между собой с помощью волокон, линз, пространственного фильтра и общего внешнего зеркала. Пространственный фильтр, размещенный в Фурье-плоскости внешнего резонатора, вынуждает все лазеры системы генерировать когерентно, на одной частоте и с жестко связанными фазами на выходе каждого полупроводникового лазера. Очевидным недостатком этой лазерной системы является необходимость жесткой стыковки всех ее элементов, а следовательно, невысокая надежность ее работы [3]
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции лазера, повышение надежности его работы, а также достижение большей компактности устройства.A known system of semiconductor lasers, the active areas of which are interconnected using fibers, lenses, a spatial filter and a common external mirror. A spatial filter located in the Fourier plane of the external resonator forces all lasers in the system to be generated coherently, at the same frequency and with rigidly coupled phases at the output of each semiconductor laser. The obvious disadvantage of this laser system is the need for a rigid docking of all its elements, and therefore, the low reliability of its operation [3]
The technical result of the invention is to simplify the design of the laser, increase the reliability of its operation, as well as achieve greater compactness of the device.

Этот технический результат достигается тем, что гофрированный слой, выполняющий роль селективного зеркала обратной связи, наносится непосредственно на выходной торец полупроводникового лазера через буферный слой с показателем преломления меньшим, чем у волнового зеркала. Буферный слой служит для оптической изоляции гофрированного волновода от полупроводниковой среды, показатель преломления которой составляет 3-3,5. Толщины буферного слоя и волнового слоя, а также их показатели преломления выбираются так, чтобы минизировать коэффициент R_Ф Френелевского отражения света от поверхности выходного торца лазера и, тем самым понизить добротность резонатора Фабри-Перо, образованного торцами этого лазера.This technical result is achieved in that the corrugated layer, which acts as a selective feedback mirror, is applied directly to the output end of the semiconductor laser through a buffer layer with a refractive index lower than that of the wave mirror. The buffer layer is used for optical isolation of the corrugated waveguide from a semiconductor medium, the refractive index of which is 3-3.5. Buffer layer thickness and wave layer and their refractive indices are chosen so that the ratio of R _F minizirovat Fresnel reflection light from the surface of the output end of the laser, thereby to lower the Q of the resonator of the Fabry-Perot formed by the ends of the laser.

Условиями нулевого отражения R_Ф света от поверхности торца полупроводникового лазера являются:

где

n_w показатель преломления волнового слоя,
n_b показатель преломления буферного слоя,
n_s показатель преломления полупроводника,
n_c показатель преломления прилегающей среды,
h_w толщина волнового слоя,
h_b толщина буферного слоя.The conditions for zero reflection R _{f of} light from the surface of the end face of a semiconductor laser are:

Where

n _w the refractive index of the wave layer,
n _b the refractive index of the buffer layer,
n _{s is} the refractive index of a semiconductor,
n _c the refractive index of the surrounding medium,
h _{w the} thickness of the wave layer,
h _{b the} thickness of the buffer layer.

На практике достижимы коэффициенты отражения R_Ф, составляющие доли процента 0,1-1% в то время как коэффициенты селективного отражения составляют десятки процентов. Поэтому такая минимизация величины R_Ф стабилизирует длину волны излучения лазера и способствует действию волнового отражателя света. Последний работает так, что после каждого отражения ограниченного пучка света от него ширина отраженного пучка увеличивается, достигая в пределе размеров ширины активной области полупроводникового лазера. Это обстоятельство обеспечивает низкую расходимость излучения лазера в плоскости p-n перехода, которая будет определяться соотношением θ ≈ λ/D где D ширина активной области лазера, λ_г длина волны генерируемого излучения, определяемая соотношением λ_г= n^*Λ где Λ период гофра и n^* эффективный показатель преломления гофрированного волновода.In practice, achievable reflection coefficients R _f , constituting fractions of a percentage of 0.1-1% while the coefficients of selective reflection are tens of percent. Therefore, this minimization of the value of R _f stabilizes the wavelength of the laser radiation and contributes to the action of the wave reflector of light. The latter works so that after each reflection of a limited beam of light from it, the width of the reflected beam increases, reaching the width of the active region of the semiconductor laser in the limit of size. This circumstance ensures a low divergence of laser radiation in the pn junction plane, which will be determined by the relation θ ≈ λ / D where D is the width of the active region of the laser, λ _g is the wavelength of the generated radiation, determined by the relation λ _g = n ^* Λ where Λ is the corrugation period and n ^* effective refractive index of the corrugated waveguide.

Таким образом, заявляемый полупроводниковый лазер соответствует критерию "новизна". Thus, the inventive semiconductor laser meets the criterion of "novelty."

На чертеже приведена схема полупроводникового лазера с повышенной яркостью излучения, где приняты следующие обозначения:
а) вид сверху, б) вид сбоку, полупроводниковый лазер 1, активная область лазера 2, буферный слой 3, гофрированный волновод 4, электроды 5, заднее отражающее зеркало 6.The drawing shows a diagram of a semiconductor laser with high brightness, where the following notation:
a) top view, b) side view, semiconductor laser 1, active region of laser 2, buffer layer 3, corrugated waveguide 4, electrodes 5, rear reflecting mirror 6.

Лазер работает следующим образом. При приложении напряжения к электродам лазера в его активной области возникает инверсная заселенность носителей зарядов. Спонтанно возникшее излучение света вблизи заднего зеркала активной зоны, распространяясь вдоль оси ее, усиливается и достигает селективного зеркала на выходном торце, здесь излучение с длиной волны λ = Λ·n^* отражается назад и, кроме того, вследствии распространения по гофрированному волноводу, обусловливает уширение пучка света. После многократных проходов излучения от заднего зеркала к переднему и снова к заднему, в активной зоне лазера формируется мода, которая по ширине занимает всю активную зону, что на выходе лазера обеспечивает расходимость излучения θ ≈ λ/D т.е. дифракционную расходимость в плоскости p-n перехода.The laser operates as follows. When voltage is applied to the electrodes of the laser, an inverse population of charge carriers arises in its active region. Spontaneously arising light radiation near the rear mirror of the core, propagating along its axis, amplifies and reaches a selective mirror at the output end, here the radiation with a wavelength of λ = Λ · n ^{* is} reflected back and, in addition, due to propagation along the corrugated waveguide, it causes broadening beam of light. After multiple passes of radiation from the rear mirror to the front and again to the rear, a mode is formed in the active zone of the laser, which occupies the entire active zone in width, which ensures the radiation divergence at the laser output θ ≈ λ / D i.e. diffraction divergence in the plane of the pn junction.

Конкретным примером реализации полупроводникового лазера с низкой расходимостью излучения является лазер на основе соединения CaAlAs-GaAs, работающий в области λ ≈ 0,85 мкм. В качестве буферного слоя напыляется окись кремния с показателем преломления n_b 1,46 и толщиной h_b 0,48 мкм, поверх него наносится слой окиси ниобия с показателем преломления n_w 2,2 и толщиной h_w 0,05 мкм. Указанная толщина пленки обеспечивает одномодовый волновод в указанном диапазоне длин волн. Затем стандартным голографическим методом и методом ионного травления на поверхности волноводного слоя изготавливается дифракционная решетка с периодом Λ = 0,85/1,5 ≈ 0,56 мкм, причем штрихи решетки ориентированы перпендикулярно плоскости r-n перехода лазера.A specific example of the implementation of a semiconductor laser with a low radiation divergence is a CaAlAs-GaAs laser operating in the region of λ ≈ 0.85 μm. Silicon oxide is sprayed as a buffer layer with a refractive index of n _b 1.46 and a thickness of h _b 0.48 μm, a layer of niobium oxide with a refractive index of n _w 2.2 and a thickness of h _w 0.05 μm is deposited on top of it. The specified film thickness provides a single-mode waveguide in the specified wavelength range. Then, using a standard holographic method and ion etching method, a diffraction grating with a period Λ = 0.85 / 1.5 ≈ 0.56 μm is manufactured on the surface of the waveguide layer, and the grating strokes are oriented perpendicular to the laser transition plane rn.

При ширине активной области D=150 мкм, работа такого лазера обеспечивает генерацию одной линии излучения с λ = 0,85 мкм и расходимостью на выходе θ = 5,6 мрад. With the width of the active region D = 150 μm, the operation of such a laser generates a single emission line with λ = 0.85 μm and an output divergence of θ = 5.6 mrad.

Использование изобретения позволит изготавливать полупроводниковые лазеры не только с повышенной мощностью излучения, но и с узкой (Δλ ≈ 0,1 нм линией излучения и низкой расходимостью (θ ≈ λ/D) в плоскости p-n перехода. В отличие от многоканального лазера с внешним отражателем, изложенного в [3] (прототип), в предлагаемом лазере за счет нанесения гофрированного волноводного слоя непосредственно на выходной торец лазера достигается жесткость конструкции, надежность работы лазера. По сравнению с изменяющимися РОС-лазерами и лазерами с РБЗ, предлагаемый лазер позволяет практически использовать стандартную технологию производства полупроводниковых лазеров, которая существенно проще и дешевле технологии РОС-лазеров. Using the invention will make it possible to manufacture semiconductor lasers not only with increased radiation power, but also with a narrow (Δλ ≈ 0.1 nm emission line and low divergence (θ ≈ λ / D) in the pn junction plane. In contrast to a multi-channel laser with an external reflector, set forth in [3] (prototype), in the proposed laser, by applying a corrugated waveguide layer directly to the output end of the laser, structural rigidity and reliable operation of the laser are achieved.Compared to changing POC lasers and lasers with RBZ, pre Laga laser allows practical use of standard technology of semiconductor lasers, which is much simpler and cheaper technology DFB lasers.

По данному техническому предложению в ИОФ РАН были выполнены исследования аномального отражения света от поверхности гофрированного волновода, разработана технология изготовления гофрированных волноводов, также проведены экспериментальные исследования одночастотной генерации света полупроводникового лазера с гофрированным зеркалом. Based on this technical proposal, the IOF RAS studied anomalous reflection of light from the surface of a corrugated waveguide, developed a technology for manufacturing corrugated waveguides, and also conducted experimental studies of single-frequency light generation of a semiconductor laser with a corrugated mirror.

Возможная область использования полупроводниковых лазеров с повышенной яркостью излучения оптическая связь, лазерная медицина, системы обработки информации. A possible area of use of semiconductor lasers with high brightness is optical communication, laser medicine, information processing systems.

Claims

A multichannel semiconductor laser containing a selective reflector synchronizing the radiation of individual channels, characterized in that it is made in the form of a corrugated layer deposited on the output end of the laser through a buffer layer, the refractive index of the material of the buffer layer being lower than the refractive index of the material of the corrugated layer, in addition, the materials for the buffer and corrugated layers, they are chosen with such refractive indices that together with the thicknesses of these layers they provide the Fresnel coefficient light reflection at the generation wavelength at the output end of the laser, not exceeding 0.5%