RU216100U1 - Гетероструктура вертикально-излучающего лазера с гибридной схемой накачки - Google Patents

Гетероструктура вертикально-излучающего лазера с гибридной схемой накачки Download PDF

Info

Publication number
RU216100U1
RU216100U1 RU2022129769U RU2022129769U RU216100U1 RU 216100 U1 RU216100 U1 RU 216100U1 RU 2022129769 U RU2022129769 U RU 2022129769U RU 2022129769 U RU2022129769 U RU 2022129769U RU 216100 U1 RU216100 U1 RU 216100U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layers
algaas
vertically emitting
heterostructure
optical
Prior art date
Application number
RU2022129769U
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Владимирович Бабичев
Антон Юрьевич Егоров
Максим Сергеевич Соболев
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU216100U1 publication Critical patent/RU216100U1/ru

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к электронике, а именно к оптоэлектронной технике. Сущность полезной модели состоит в том, что гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера включает подложку из нелегированного GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под оптическую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под токовую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, верхний распределенный брэгговский отражатель из пар слоев AlGaAs/AlGaAs, при этом в гетероструктуре монолитного вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 850-1310 нм слои активных областей сформированы на основе сверхрешетки, микрорезонатор имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, вторая пара верхнего распределенного брэгговского отражателя, ближайшая к активной области, содержит слой Al0.98Ga0.02As толщиной 25-35 нм для латерального прокисления, причем данный слой расположен в максимуме оптического поля. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм материал слоев сверхрешетки GaAs/InGaAs. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм материал слоев сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN. Технический результат состоит в достижении существенного повышения предельной выходной оптической мощности лазера, в частности, в одночастотном режиме генерации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к электронике, а именно к оптоэлектронной технике.
При формировании гетероструктур вертикально-излучающих лазеров активная область формируется на основе одной или нескольких квантовых ям. Основным недостатком данной конструкции является тот факт, что с какого-то предельного уровня токовой накачки наблюдается насыщение усиления активной области. Как следствие, насыщение усиления активной области при увеличении тока, пропускаемого через лазер, приводит либо к существенному увеличению порогового тока генерации, либо вообще к невозможности достижения генерации. Снижение усиления возможно компенсировать за счет уменьшения потерь на вывод излучения из микрорезонатора посредством увеличения коэффициента отражения выводного брэгговского отражателя, но данный вариант ограничивает предельную выходную оптическую мощность лазера.
Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели является гетероструктура монолитного (выращенного за один эпитаксиальный процесс) вертикально-излучающего лазера с распределенными брэгговскими отражателями, включает нелегированную подложку из GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель (РБО) из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs с различным составом по алюминию, волноводные слои AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои AlGaAs, активную область на основе набора квантовых ям в слоях матрицы (волноводные слои AlGaAs), контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, слои верхнего распределенного брэгговского отражателя на основе чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs с различным составом по алюминию. Активная область вертикально-излучающих лазеров сформирована на основе набора квантовых ям (КЯ) GaAs в обкладках InGaAs с расположенным внутри активной области микрорезонатором с длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 1,75λ и работает в области спектрального диапазона 980 нм [P. Moser, H. Schmeckebier, M. Gębski, P. Śpiewak, R. Rosales, M. Wasiak, and J. A. Lott, “Intracavity and extracavity-contacted 980-nm oxide-confined VCSELs for optical interconnects and integration,” Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXI, Feb. 2017]. Недостатком данной конструкции гетероструктуры является то, что наблюдается насыщение усиления с ростом токовой накачки, что обусловлено высокими плотностями рабочих токов, при узком спектральном диапазоне работы лазера. Кроме того, при использовании активных областей на основе КЯ оптическая накачка осуществляется в слои матрицы для эффективного сбора носителей с последующей рекомбинацией в слоях КЯ. Таким образом, оптическая накачка КЯ малоэффективна, так как слои матрицы, по факту, не используются. Более того, в данной конструкции токовая и оптическая апертура сформированы за счет латерального прокисления слоя Al0.98Ga0.02As вне области, вытравленной мезы диаметром 2-10 мкм. В силу того, что слой Al0.98Ga0.02As расположен в минимуме оптического поля, оптическое ограничение создается лишь за счет наличия скачка показателя преломления вне области прокисления. Все выше сказанное приводит к относительно низкой выходной оптической мощности вертикально-излучающего лазера.
Соответственно, технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение усиления активной области лазера при сохранении или даже уменьшении коэффициента отражения выводного брэгговского отражателя. Кроме того, требуется разработка подходов по созданию конструкции гетероструктуры вертикально-излучающего лазера.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера включает подложку из нелегированного GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под оптическую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под токовую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, верхний распределенный брэгговский отражатель из пар слоев AlGaAs/AlGaAs, при этом в гетероструктуре монолитного вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 850-1310 нм слои активных областей сформированы на основе сверхрешетки, микрорезонатор имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, вторая пара верхнего распределенного брэгговского отражателя, ближайшая к активной области, содержит слой Al0.98Ga0.02As толщиной 25-35 нм для латерального прокисления, причем данный слой расположен в максимуме оптического поля. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм материал слоев сверхрешетки GaAs/InGaAs. В случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм материал слоев сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN.
Технический результат заключается в том, что достигается существенное повышение предельной выходной оптической мощности лазера, в частности, в одночастотном режиме генерации.
На фиг. 1 показано пространственное распределение световой волны (а), а также профиль показателя преломления предложенной гетероструктуры (b). Поверхность гетероструктуры (выводное зеркало) расположена слева на фиг. 1.
Монолитная гетероструктура вертикально-излучающего лазера получена методом эпитаксии слоев активных областей и распределенных брэгговских отражателей, содержит подложку арсенида галлия, распределенные брэгговских отражатели, волноводные слои AlGaAs, контактные слои GaAs, слои активных областей. Нижний распределенный брэгговский отражатель выполнен из пар чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs c различным составом по алюминию. Активные области включают слои сверхрешеток вместо квантовых ям в слоях матрицы. Микрорезонатор включает одну активную область с токовой накачкой и, как минимум, одну активную область с оптической накачкой, расположенные в максимумах оптического поля. Токовая и оптическая апертура сформированы за счет латерального прокисления слоя AlGaAs с высоким содержанием алюминия, расположенного в максимуме оптического поля. Верхний распределенный брэгговский отражатель выполнен из пар чередующихся слоев AlGaAs/AlGaAs c различным составом по алюминию. Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления гетероструктур вертикально-излучающих лазеров на подложках из арсенида галлия, работающих в спектральном диапазоне 850 - 1310 нм.
На фигуре 1 показано схематическое изображение гетероструктуры вертикально-излучающего лазера. Приведен профиль показателя преломления (сплошная линия, правая ось Y) и профиль распределения интенсивности световой волны (пунктирная линия, левая ось Y). Расчет профиля пространственного распределения световой волны выполнен для лазера, работающего в спектральном диапазоне 850 нм с активными областями на основе GaAs квантовых ям. Однако при замене слоев активной области возможно достичь более длинноволновой генерации (вплоть до 1310 нм).
Фигура 1 (а) представляет общий вид пространственного распределения световой волны (левая ось ординат), а также профиль показателя преломления (правая ось ординат). Фигура 1 (b) представляет укрупненное изображение пространственного распределения световой волны (левая ось ординат), а также профиль показателя преломления (правая ось ординат), соответствующее области микрорезонатора, а также области ближайших двух пар РБО. Область 1 соответствует положению дополнительного слоя Al0.98Ga0.02As, для формирования оптического ограничения, расположенного в максимуме пространственного распределения световой волны, область 2 - контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, расположенный в минимуме пространственного распределения световой волны, область 3 - слои активной области под токовую накачку, область 4 - контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, расположенный в минимуме пространственного распределения световой волны, области 5 - слои дополнительных активных областей, расположенных в максимумах пространственного распределения световой волны микрорезонатора.
Предложенная гетероструктура вертикально-излучающего лазера сформирована методом эпитаксии на подложке арсенида галлия. Слои нелегированного четвертьволнового нижнего распределенного брэгговского отражателя включают чередующиеся слои AlGaAs/AlGaAs, с разным составом по алюминию, расположенные на нелегированной подложке GaAs. Слои активных областей под оптическую накачку сформированы на основе сверхрешетки GaAs/InGaAs или на основе механически-напряженной сверхрешетки InGaAs/InAlAs в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм. Слои активных областей под оптическую накачку сформированы на основе сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм. Число активных областей под оптическую накачку - не менее одной. Максимальное число определяется длиной микрорезонатора. Микрорезонатор предложенной гетероструктуры вертикально-излучающего лазера имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, что подразумевает их использование под оптическую накачку. Активные области разделены волноводными слоями на основе AlGaAs, с составом по алюминию, отличному от барьерных слоев сверхрешетки. Контактный слой GaAs легирован примесью n-типа (кремнием) и расположен вблизи активной области под токовую накачку. Данный слой соответствует минимуму оптического поля, что достигается за счет выбора толщин слоев микрорезонатора. Активная область под токовую накачку расположена между контактными и волноводными слоями в положении максимума оптического поля. Слои активных областей под токовую накачку идентичны слоям активных областей под оптическую накачку. Контактный слой GaAs легированный примесью p-типа (углеродом или бериллием) расположен в минимуме оптического поля выше активной области под токовую накачку. Слои нелегированного четвертьволнового верхнего распределенного брэгговского отражателя включают чередующиеся слои AlGaAs/AlGaAs, с разным составом по алюминию, формируют микрорезонатор. Прокисляющий слой Al0.98Ga0.02As толщиной 25-35 нм расположен во второй паре верхнего РБО в максимуме оптического поля, что позволяет осуществить оптическое ограничения за счет латерального прокисления после формирования меза-структуры. Возможно расположение дополнительных слоев Al0.98Ga0.02As 02As под прокисления как в слоях верхнего, так и в слоях нижнего РБО, расположенных в максимумах оптического поля. Более того, расположение слоя прокисления в максимуме оптического поля позволит осуществить дополнительную оптическую селекцию поперечных оптических мод высшего порядка для реализации одночастотного режима генерации. Активные области внутри микрорезонатора сформированы на основе сверхрешетки. Типично при использовании активных областей на основе КЯ оптическая накачка осуществляется в слои матрицы для эффективного сбора носителей с последующей рекомбинацией в слоях КЯ. Как итог, оптическая накачка КЯ малоэффективна, так как слои матрицы, по факту, не используются. В свою очередь, активная область на основе сверхрешетки работает как объемный материал, позволяя повысить эффективность оптической накачки активных областей в сравнении со случаем на основе набора КЯ.
Предложенная полезная модель гетероструктуры вертикально-излучающего лазера позволяет реализовать микрорезонатор, включающих несколько активных областей, в том числе одну - для токовой накачки, и, как минимум, одну под оптическую накачку, накачка которой осуществляется за счет излучения от активной области с токовой накачкой, что позволит повысить выходную оптическую мощность вертикально-излучающих лазеров при высоких плотностях тока, соответствующих насыщению усиления активной области на квантовых ямах, что достигается, с одной стороны, за счет перехода к использованию сверхрешетки вместо квантовых ям, для которой несвойственно насыщение усиления с ростом токовой накачки, а с другой стороны, за счет наличия дополнительных активных областей с оптической накачкой при достижении предельных плотностей токовой накачки для заданного диаметра мезы вертикально-излучающего лазера.
Устройство работает следующим образом: вследствие протекания электрического тока через активную область гетероструктуры вертикально-излучающего лазера, в сверхрешетке происходит процесс излучательной рекомбинации. Излучение, отражаясь от зеркал резонатора Фабри-Перо, при прохождении через активную область, усиливается и образует стоячую световую волну.

Claims (3)

1. Гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера, включающая подложку из нелегированного GaAs, нижний распределенный брэгговский отражатель из пар нелегированных слоев AlGaAs/AlGaAs, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под оптическую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью n-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, активную область под токовую накачку, волноводные слои на основе AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный примесью p-типа, волноводные слои на основе AlGaAs, верхний распределенный брэгговский отражатель из пар слоев AlGaAs/AlGaAs, отличающаяся тем, что в гетероструктуре монолитного вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 850-1310 нм слои активных областей сформированы на основе сверхрешетки, микрорезонатор имеет длину волны оптического излучения с учетом коэффициента преломления материала 2,5λ, причем в максимумах оптического поля расположены дополнительные слои активных областей, причем данные слои активных областей расположены вне контактных слоев, вторая пара верхнего распределенного брэгговского отражателя, ближайшая к активной области, содержит слой Al0.98Ga0.02As толщиной 25-35 нм для латерального прокисления, причем данный слой расположен в максимуме оптического поля.
2. Гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера по п. 1, отличающаяся тем, что, в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 850-1060 нм материал слоев сверхрешетки GaAs/InGaAs.
3. Гетероструктура монолитного вертикально-излучающего лазера по п. 1, отличающаяся тем, что в случае вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1060-1310 нм материал слоев сверхрешетки In(Ga)As/GaAsN.
RU2022129769U 2022-11-16 Гетероструктура вертикально-излучающего лазера с гибридной схемой накачки RU216100U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU216100U1 true RU216100U1 (ru) 2023-01-17

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU225254U1 (ru) * 2023-11-13 2024-04-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Вертикально-излучающий лазер

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU188629U1 (ru) * 2018-12-21 2019-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
RU189724U1 (ru) * 2018-12-21 2019-05-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
RU197331U1 (ru) * 2019-12-24 2020-04-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
RU200326U1 (ru) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура длинноволнового вертикально-излучающего лазера с раздельным токовым и оптическим ограничением
US10992109B2 (en) * 2019-04-01 2021-04-27 Lumentum Operations Llc Electrically isolating vertical-emitting devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU188629U1 (ru) * 2018-12-21 2019-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
RU189724U1 (ru) * 2018-12-21 2019-05-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
US10992109B2 (en) * 2019-04-01 2021-04-27 Lumentum Operations Llc Electrically isolating vertical-emitting devices
RU197331U1 (ru) * 2019-12-24 2020-04-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера
RU200326U1 (ru) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура длинноволнового вертикально-излучающего лазера с раздельным токовым и оптическим ограничением

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU225254U1 (ru) * 2023-11-13 2024-04-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Вертикально-излучающий лазер

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6931042B2 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US5351256A (en) Electrically injected visible vertical cavity surface emitting laser diodes
MacDougal et al. Ultralow threshold current vertical-cavity surface-emitting lasers with AlAs oxide-GaAs distributed Bragg reflectors
JP4919639B2 (ja) 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザモジュールおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステム
US6434180B1 (en) Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)
EP2639900B1 (en) Semiconductor stack and vertical cavity surface emitting laser
Huffaker et al. 1.15-μm wavelength oxide-confined quantum-dot vertical-cavity surface-emitting laser
Syrbu et al. 1.5-mW single-mode operation of wafer-fused 1550-nm VCSELs
US8031752B1 (en) VCSEL optimized for high speed data
Streubel et al. High brightness visible (660 nm) resonant-cavity light-emitting diode
JP2001168475A (ja) 共通基板に設けた単一レーザー要素を備える垂直空洞表面放出型レーザー
Nishiyama et al. Multi-oxide layer structure for single-mode operation in vertical-cavity surface-emitting lasers
JPH10233557A (ja) 半導体発光素子
Peters et al. 17.3% peak wall plug efficiency vertical-cavity surface-emitting lasers using lower barrier mirrors
Schneider Jr et al. Cavity design for improved electrical injection in InAlGaP/AlGaAs visible (639–661 nm) vertical‐cavity surface‐emitting laser diodes
WO2001093387A2 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
JP2023043084A (ja) 垂直共振器型発光素子
RU216100U1 (ru) Гетероструктура вертикально-излучающего лазера с гибридной схемой накачки
Kardosh et al. High-power single transverse mode vertical-cavity surface-emitting lasers with monolithically integrated curved dielectric mirrors
CN111969411A (zh) 一种半导体激光发射器
CN112310810A (zh) 一种半导体激光发射器
CN111969407A (zh) 一种半导体激光发射器
Yue et al. Low threshold current 1.3-μm GaInNAs VCSELs grown by MOVPE
von Würtemberg et al. Performance optimisation of epitaxially regrown 1.3-μm vertical-cavity surface-emitting lasers
Qiu et al. Low threshold current single mode 894 nm VCSELs with SiO 2/Si 3 N 4 dielectric DBRs