RU2361343C2

RU2361343C2 - Impulse injection laser

Info

Publication number: RU2361343C2
Application number: RU2006127565/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Олегович Слипченко (RU); Сергей Олегович Слипченко; Илья Сергеевич Тарасов (RU); Илья Сергеевич Тарасов; Никита Александрович Пихтин (RU); Никита Александрович Пихтин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эльфолюм"
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2009-07-10
Also published as: RU2006127565A

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, namely, to semi-conductor lasers. The said laser contains hetero structure of divided limitation including multimode waveguide with limiting layers being implemented as p- and n-type conductivity emitters with similar refraction indices. The laser also includes active zone, reflectors, optical edges, ohmic contacts and optical resonator. The active zone forms volumetric layer of semi-conducting material. The width of band gap in this layer is less than the band gap width of waveguide. The thickness of volumetric active zone d_ar meets inequation

, where

- planks constant, m_h,e - electron hole mass, λ - length of generation wave in vacuum. E - kinetic energy of charge carriers, which is taken the least between calculated m_h and m_e.

EFFECT: increased peak laser radiation at reduced width of laser diode spectrum in impulse generation mode.

1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к полупроводниковым лазерам. Мощные импульсные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например используются в качестве источника оптического излучения для накачки нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует высоких выходных пиковых мощностей излучения.The invention relates to quantum electronic technology, and more specifically to semiconductor lasers. Powerful pulsed semiconductor lasers are widely used in many fields of science and technology, for example, they are used as a source of optical radiation for pumping nonlinear crystals, fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers. This requires high output peak radiation powers.

Создание полупроводникового лазера, позволяющего достичь высоких пиковых выходных мощностей излучения, является актуальной задачей.Creating a semiconductor laser, which allows to achieve high peak output radiation powers, is an urgent task.

Основными достоинствами полупроводникового лазера как источника когерентного излучения являются высокая выходная оптическая мощность, высокая надежность, широкий диапазон длин волн излучения при сохранении компактных размеров. Высокие значения непрерывной мощности излучения продемонстрированы полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) на базе гетероструктур с квантово-размерной активной областью с расширенным волноводом [1] и асимметричных гетероструктур с квантово-размерной активной областью со сверхтолстым волноводом [2, 3], [4]. Использование асимметричной гетероструктуры с квантово-размерной активной областью со сверхтолстым волноводом дало возможность снизить внутренние оптические потери, что позволило изготовить лазерные диоды с длиной резонатора 2-4 мм без существенного падения внешней дифференциальной эффективности. Увеличение длины резонатора привело к падению теплового сопротивления и повышению эффективности отвода тепла от квантово-размерной активной области лазерного диода. Это важно, так как основная причина ограничения максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации - перегрев активной области. За счет снижения теплового сопротивления лазерного диода была достигнута максимальная непрерывная мощность генерации [2, 3, 4]. Дальнейший рост выходной оптической мощности был ограничен перегревом квантово-размерной активной области. Однако в таких областях, как накачка нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, по-прежнему актуальным остается достижение максимальной пиковой мощности.The main advantages of a semiconductor laser as a source of coherent radiation are high output optical power, high reliability, a wide range of radiation wavelengths while maintaining a compact size. High values of the continuous radiation power were demonstrated by semiconductor lasers (laser diodes) based on heterostructures with a quantum-well active region with an expanded waveguide [1] and asymmetric heterostructures with a quantum-well active region with an ultra-thick waveguide [2, 3], [4]. The use of an asymmetric heterostructure with a quantum-well active region with an ultra-thick waveguide made it possible to reduce internal optical losses, which made it possible to fabricate laser diodes with a cavity length of 2-4 mm without a significant drop in external differential efficiency. An increase in the cavity length led to a decrease in thermal resistance and an increase in the efficiency of heat removal from the quantum-dimensional active region of the laser diode. This is important, since the main reason for limiting the maximum radiation power in the continuous generation mode is overheating of the active region. By reducing the thermal resistance of the laser diode, the maximum continuous generation power was achieved [2, 3, 4]. A further increase in the output optical power was limited by overheating of the quantum-dimensional active region. However, in areas such as pumping nonlinear crystals, fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers, the achievement of maximum peak power remains relevant.

Известным способом снижения перегрева активной области и дальнейшего повышения выходной оптической мощности является переход к импульсному режиму генерации.A known way to reduce overheating of the active region and further increase the output optical power is to switch to pulsed generation.

Структура, представленная в [1], включает два ограничительных слоя N- и Р-типа электропроводности, выполненных на основе твердого раствора In_0.51Ga_0.49P. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=1.3 мкм, выполненный на основе твердого раствора InGaAsP. В центре волноводного слоя располагается активная область. Активная область состоит из двух InGaAs квантовых ям толщиной 70 Å каждая. В лазерных диодах, изготовленных на базе такой гетероструктуры, была достигнута пиковая мощность излучения в импульсном режиме (длительность импульса тока накачки 500 нс, частота 200 Гц) 20 Вт [1].The structure presented in [1] includes two N- and P-type conductivity restriction layers based on an In _0.51 Ga _0.49 P solid solution. A waveguide layer D = 1.3 μm thick based on an InGaAsP solid solution is placed between the restriction layers. The active region is located in the center of the waveguide layer. The active region consists of two InGaAs quantum wells 70 Å thick each. In laser diodes fabricated on the basis of such a heterostructure, a peak radiation power in the pulsed mode was achieved (pulse width of the pump current 500 ns, frequency 200 Hz) 20 W [1].

Структура, представленная в [4], включает два ограничительных слоя N- и Р-типа электропроводности, выполненных на основе твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной D=1.7 мкм, выполненный на основе твердого раствора InGaAsP. В волноводном слое на расстоянии 0.65 мкм от ограничительного слоя Р-типа электропроводности располагается активная область. Активная область состоит из одной InGaAs квантовой ямы толщиной 100 Å. В лазерных диодах, изготовленных на базе такой гетероструктуры, была достигнута пиковая мощность излучения в непрерывом режиме 12 Вт [4] и импульсном режиме (длительность импульса тока накачки 100 нс, частота 10 кГц) 100 Вт.The structure presented in [4] includes two limiting layers of N- and P-type electrical conductivity based on Al _0.3 Ga _0.7 As solid solution. A waveguide layer of thickness D = 1.7 μm, made on the basis of an InGaAsP solid solution, was placed between the bounding layers. The active region is located in the waveguide layer at a distance of 0.65 μm from the P-type boundary layer of electrical conductivity. The active region consists of one InGaAs quantum well 100 Å thick. In laser diodes fabricated on the basis of such a heterostructure, a peak radiation power was achieved in a continuous mode of 12 W [4] and in a pulsed mode (pump current pulse duration 100 ns, frequency 10 kHz) 100 W.

Конструкция лазера, взятая за прототип [2, 3], позволяет достичь наибольших из известных (например [1, 4]) значений импульсной мощности излучения 145 Вт (длительность импульса тока накачки 100 нс, частота 10 кГц), ширина спектра излучения достигает 22.5 нм.The laser design, taken as a prototype [2, 3], allows to achieve the largest known (for example [1, 4]) values of the pulsed radiation power of 145 W (pulse duration of the pump current 100 ns, frequency 10 kHz), the width of the radiation spectrum reaches 22.5 nm .

В качестве базовой конструкции прототипа взята двойная гетероструктура раздельного ограничения (ДГСРО). ДГСРО включает в себя следующие составные части:As the basic design of the prototype taken double heterostructure separate constraints (DGSRO). DGSRO includes the following components:

- волноводный слой, характеризующийся толщиной (D_О), шириной запрещенной зоны (E_gв) и показателем преломления (n_в); E_gв и n_в напрямую связаны со свойствами материала волноводного слоя;- a waveguide layer characterized by a thickness (D _O ), a band gap (E _gв ) and a refractive index (n _в ); E _gв and n _{в are} directly related to the material properties of the waveguide layer;

- слои оптических ограничителей (эмиттеров); волноводный слой помещается между слоями оптических ограничителей; основная функция слоев оптических ограничителей - удерживать лазерное излучение в волноводном слое. Из этого следуют основные требования к свойствам материала этих слоев: они должны иметь показатели преломления (n_оо) меньше, а ширины запрещенных зон больше, чем у волноводного слоя;- layers of optical limiters (emitters); the waveguide layer is placed between the layers of the optical limiters; The main function of the optical limiter layers is to retain laser radiation in the waveguide layer. From this follows the basic requirements for the material properties of these layers: they must have a refractive index (n _° ) less and the band gap greater than that of the waveguide layer;

- активную область, расположенную в волноводном слое, которая может включать в свой состав по меньшей мере один квантово-размерный активный слой. Активная область выполняет функцию усиливающей среды. Для этого требуется выполнение необходимого условия - в активной области должна быть создана инверсная населенность, поэтому материал активной области должен обладать меньшей шириной запрещенной зоны, чем волновод.- an active region located in the waveguide layer, which may include at least one quantum-dimensional active layer. The active region acts as an amplifying medium. This requires the fulfillment of the necessary condition — an inverse population must be created in the active region; therefore, the material of the active region must have a smaller band gap than the waveguide.

Основные принципы выбора параметров конструкции лазерной гетероструктуры прототипа представлены в [2, 5] и определялись задачей достижения максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации, поэтому параметры выбирались с целью достижения минимальных внутренних оптических потерь и термического выброса носителей из квантово-размерной активной области [2, 5].The basic principles for choosing the design parameters of the laser heterostructure of the prototype are presented in [2, 5] and were determined by the task of achieving maximum radiation power in the continuous generation mode, therefore, the parameters were chosen in order to achieve minimum internal optical loss and thermal ejection of carriers from the quantum-dimensional active region [2, 5].

Интенсивность термического выброса зависит от величины барьеров на границах волновод - эмиттер и волновод - квантовая яма. Высота барьеров, образованных разрывами зон проводимости и валентными зонами эмиттеров и волноводов, характеризует интенсивность тока утечки носителей из волновода в эмиттер, они не могут быть ниже некоторой критической величины, характеризуемой энергией активации данного процесса. В свою очередь, глубина квантовой ямы при заданной ширине запрещенной зоны волновода определяет температурную чувствительность порогового тока. В общем случае нижний предел величины разрывов зон для всех границ - это 2kT, но чем больше эта величина, тем меньшее влияние оказывает повышение температуры на излучательные характеристики лазерного диода. Из вышесказанного следует, что отправной точкой в выборе параметров слоев гетероструктуры является длина волны генерируемого излучения, исходя из которой определяются составы слоев. В качестве примера здесь эта величина выбирается равной 1060 нм. Из вышесказанного следует, что выбор составов твердых растворов эмиттерных и волноводных слоев должен быть основан, в первую очередь, на требовании минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям. На базе проведенных ранее исследований излучательных характеристик лазерных диодов [6] и из технологических соображений качества получающихся слоев в [2] были выбраны следующие составы: Al_0.3Ga_0.7As (E_g=1.8 эВ) и GaAs (E_g=1.43 эВ) для эмиттерных и волноводных слоев соответственно. Задача достижения максимальной мощности излучения лазерного диода в непрерывном режиме генерации требует, чтобы гетероструктура, на базе которой выполнен данный лазерный диод, обладала минимальными внутренними оптическими потерями. Чем меньше величина внутренних оптических потерь, тем большей мощности излучения в непрерывном режиме можно достичь. Известно [7], что внутренние оптические потери для моды m -

можно представить в видеThe intensity of thermal emission depends on the magnitude of the barriers at the waveguide - emitter and waveguide - quantum well boundaries. The height of the barriers formed by the gaps in the conduction bands and the valence bands of the emitters and waveguides characterizes the intensity of the carrier leakage current from the waveguide to the emitter; they cannot be lower than a certain critical value characterized by the activation energy of this process. In turn, the depth of the quantum well at a given band gap of the waveguide determines the temperature sensitivity of the threshold current. In the general case, the lower limit of the gap discontinuity for all boundaries is 2kT, but the larger this value, the less the temperature increase affects the radiative characteristics of the laser diode. It follows from the foregoing that the starting point in the choice of the parameters of the heterostructure layers is the wavelength of the generated radiation, from which the composition of the layers is determined. As an example, here this value is chosen equal to 1060 nm. From the foregoing, it follows that the choice of compositions of solid solutions of emitter and waveguide layers should be based, first of all, on the requirement to minimize leakage currents and processes of ejection from quantum wells. Based on earlier studies of the emissive characteristics of laser diodes [6] and technological considerations of the quality of the resulting layers, the following compositions were chosen in [2]: Al _0.3 Ga _0.7 As (E _g = 1.8 eV) and GaAs (E _g = 1.43 eV) for emitter and waveguide layers, respectively. The task of achieving the maximum radiation power of the laser diode in the continuous generation mode requires that the heterostructure on the basis of which the laser diode is made has minimal internal optical loss. The smaller the amount of internal optical loss, the greater the continuous emission power that can be achieved. It is known [7] that the internal optical loss for the mode m is

can be represented as

где

- оптические потери в активной области,

- оптические потери в эмиттерах,

- потери в волноводных слоях, при этом основной вклад в величину

вносят

и

. Величина

определяется толщиной активной области, а именно долей поля моды, приходящейся на слой активной области. Это значит, что снижение толщины активной области благоприятно влияет на снижение

. С этой точки зрения сверхтонкие квантово-размерные активные области являются оптимальными [2]. На величину

можно повлиять, изменяя параметры лазерной гетероструктуры (толщину волновода и разницу между показателями преломления волновода и эмиттеров). Величина

зависит от фактора оптического ограничения эмиттерных слоев - доли поля моды m, приходящейся на эмиттерные слои. Фактор оптического ограничения эмиттерных слоев можно уменьшить несколькими способами:Where

- optical losses in the active region,

- optical losses in emitters,

- losses in the waveguide layers, with the main contribution to the value

make

and

. Value

is determined by the thickness of the active region, namely, the fraction of the mode field per layer of the active region. This means that a decrease in the thickness of the active region favorably affects the decrease

. From this point of view, hyperfine quantum-dimensional active regions are optimal [2]. By the amount

can be affected by changing the parameters of the laser heterostructure (the thickness of the waveguide and the difference between the refractive indices of the waveguide and emitters). Value

depends on the optical limiting factor of the emitter layers — the fraction of the mode field m attributable to the emitter layers. The optical limitation factor of the emitter layers can be reduced in several ways:

- увеличивая толщину волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттера;- increasing the thickness of the waveguide while maintaining the difference between the refractive indices of the waveguide and emitter;

- увеличивая разность между показателями преломления волновода и эмиттера при сохранении толщины волновода;- increasing the difference between the refractive indices of the waveguide and emitter while maintaining the thickness of the waveguide;

- увеличивая одновременно толщину волновода и разность между показателями преломления волновода и эмиттера.- simultaneously increasing the thickness of the waveguide and the difference between the refractive indices of the waveguide and emitter.

При условии что составы эмиттерных и волноводного слоя были зафиксированы выше, исходя из требований минимизации токов утечек и процессов выброса из квантовых ям и технологической целесообразности, единственный способ снижения внутренних оптических потерь заключается в увеличении толщины волновода при сохранении разности между показателями преломления волновода и эмиттеров. Следствием увеличения толщины волновода является то, что выполняются условия отсечки не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка, т.е. волновод становится многомодовым [8, с.35-43, 48-53]. В работе [1] использовалась гетероструктура с многомодовым волноводом (волновое уравнение имело три решения), в котором были выполнены условия отсечки для трех мод. Было показано, что симметричное положение активной области в многомодовом волноводе ведет к тому, что выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это привело к увеличению расходимость излучения на уровне 1/е² интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу с 62.5° до 75°. Выполнение пороговых условий для мод высших порядков ведет к деградации излучательных характеристик. В первую очередь, это отражается на расширении диаграммы направленности излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, и снижении максимальной мощности излучения в связи с тем, что возрастают внутренние оптические потери, т.к. моды высших порядков больше проникают в сильнолегированные эмиттеры. Поэтому необходимо найти способ подавления мод высших порядков в многомодовых волноводах. Известно, что пороговое условие для m-й моды электромагнитного поля в волноводе имеет видProvided that the compositions of the emitter and waveguide layer were fixed above, based on the requirements to minimize leakage currents and ejection processes from quantum wells and technological feasibility, the only way to reduce internal optical losses is to increase the thickness of the waveguide while maintaining the difference between the refractive indices of the waveguide and emitters. The consequence of the increase in the thickness of the waveguide is that the cutoff conditions are satisfied not only for the zero mode, but also for higher order modes, i.e. the waveguide becomes multimode [8, p. 35-43, 48-53]. In [1], a heterostructure with a multimode waveguide was used (the wave equation had three solutions), in which the cutoff conditions for the three modes were fulfilled. It was shown that the symmetric position of the active region in a multimode waveguide leads to the fulfillment of threshold conditions not only for the zero mode, but also for higher-order modes. This led to an increase in the divergence of radiation at a level of 1 / e ² intensity in a plane perpendicular to the pn junction from 62.5 ° to 75 °. The fulfillment of threshold conditions for higher-order modes leads to the degradation of radiative characteristics. First of all, this is reflected in the expansion of the radiation pattern in the far zone in a plane perpendicular to the pn junction and a decrease in the maximum radiation power due to the increase in internal optical losses, because higher-order modes penetrate more heavily into heavily doped emitters. Therefore, it is necessary to find a method for suppressing higher-order modes in multimode waveguides. It is known that the threshold condition for the mth mode of the electromagnetic field in the waveguide has the form

где g - материальное усиление,

,

- внутренние и внешние оптические потери для m-й моды соответственно,

- фактор оптического ограничения для активной области для m-й моды. Вполне очевидно, чтобы пороговое условие (2) выполнялось для нулевой моды и не выполнялось для мод высших порядков, необходимо выполнение следующего неравенстваwhere g is the material gain,

,

- internal and external optical losses for the m-th mode, respectively,

is the optical confinement factor for the active region for the mth mode. It is quite obvious that threshold condition (2) is satisfied for the zero mode and is not satisfied for higher-order modes, the following inequality must be satisfied

где m= 0,1,2,3…where m = 0,1,2,3 ...

Чтобы найти положения активной области, в которых неравенство (3) выполняется для структуры с выбранными значениями: n_оо - показатель преломления слоев оптического ограничения, n_в - показатель преломления волноводного слоя, D_O - толщина волноводного слоя, решалось волновое уравнение [8, с.35-43, 48-53]. Из волнового уравнения находилось распределение поля в данной структуре. В данном случае волновое уравнение имеет три решения - это значит, что существует три возможных конфигурации поля в данной структуре. Определив конфигурацию поля на основании определения значения Г-фактора оптического ограничения [8, с.69], можно рассчитать значение фактора оптического ограничения для активной области при любом ее положении в рассматриваемой гетероструктуре для рассчитанного распределения поля (моды). На основании таких расчетов можно построить зависимость значения фактора оптического ограничения для активной области от ее положения в многомодовом волноводе для каждой из существующих в таком волноводе мод. Построив такие зависимости, нетрудно найти положения, в которых неравенство (3) выполняется.To find the positions of the active region in which inequality (3) is satisfied for the structure with the chosen values: n _oo is the refractive index of the optical confinement layers, n _in is the refractive index of the waveguide layer, D _O is the thickness of the waveguide layer, the wave equation was solved [8, p .35-43, 48-53]. From the wave equation, the field distribution in this structure was found. In this case, the wave equation has three solutions - this means that there are three possible field configurations in this structure. Having determined the field configuration based on determining the value of the G-factor of the optical confinement [8, p.69], we can calculate the value of the optical confinement factor for the active region at any position in the heterostructure under consideration for the calculated field distribution (mode). Based on such calculations, it is possible to construct the dependence of the optical confinement factor for the active region on its position in a multimode waveguide for each of the modes existing in such a waveguide. Having constructed such dependencies, it is not difficult to find the positions in which inequality (3) holds.

Построение таких зависимостей показывает, что даже при положении активной области в центре волновода неравенство (3) выполняется [2, 5]. Но, как показано в [1], при расположении активной области в центре многомодового волновода выполняются пороговые условия не только для нулевой моды, но и для мод высшего порядка. Это приводит к увеличению расходимости излучения. Поэтому недостаточно любого превышения

над

для подавления мод высшего порядка по сравнению с нулевой модой. В прототипе был найден коэффициент q, определяющий необходимое минимальное превышение

над

, при котором моды высших порядков окажутся подавленными, и пороговое условие будет выполнено только для нулевой моды.The construction of such dependences shows that even when the active region is in the center of the waveguide, inequality (3) is fulfilled [2, 5]. But, as shown in [1], when the active region is located in the center of a multimode waveguide, threshold conditions are satisfied not only for the zero mode, but also for higher-order modes. This leads to an increase in the divergence of the radiation. Therefore, any excess

over

to suppress higher order modes compared to the zero mode. The prototype was found coefficient q, which determines the required minimum excess

over

at which higher-order modes are suppressed and the threshold condition is satisfied only for the zero mode.

Минимальное значение этого коэффициента (определенное авторами в [2]) q=1.7. В этом случае неравенство (3) перепишется какThe minimum value of this coefficient (determined by the authors in [2]) is q = 1.7. In this case, inequality (3) can be rewritten as

Авторами [2] показано, что условию (4) в наибольшей степени удовлетворяют определенные положения активной области, смещенные относительно центра волновода. Такие положения можно считать необходимыми с точки зрения селекции мод высших порядков. Таким образом, смещение активной области относительно центра многомодового волновода в положение, где выполняется неравенство (4), является необходимым условием выполнения порогового соотношения только для нулевой моды. Толщина многомодового волновода выбирается из условия выполнения неравенства (4) хотя бы для одного положения активной области в волноводе. При увеличении толщины волновода наступает момент, когда неравенство (4) перестает выполняться, что свидетельствует о снижении селективной способности структуры. В прототипе толщина многомодового волновода была ограничена величиной D_O=1.7 мкм, при которой неравенство (4) при необходимом положении активной области в многомодовом волноводе выполняется. Структура прототипа, представленная в [2], включает два ограничительных слоя из Al_0.3Ga_0.7As (E_g=1.8 эВ), характеризуемых одинаковыми показателями преломления и выполняющих одновременно роль широкозонных сильнолегированных эмиттеров Р- и N-типа электропроводности. Между ограничительными слоями помещен волноводный слой толщиной 1.7 мкм. В волноводном слое из GaAs (E_g=1.43 эВ) на расстоянии 0.65 мкм от эмиттера Р-типа электропроводности (асимметрично относительно плоскости симметрии волновода) располагается активная область. Активная область состоит из одной InGaAs (Eg=1.17 эВ) квантовой ямы толщиной 100 Å. Для лазерного диода, изготовленного из такой структуры, удалось достичь значений выходной мощности излучения 16 Вт в непрерывном режиме. Экспериментальные результаты, достигнутые в импульсном режиме генерации, представленные в [9], показывают, что максимальное значение пиковой выходной оптической мощности достигало 145 Вт и было ограничено насыщением ватт-амперной характеристики, которое не связано с разогревом активной области.The authors of [2] showed that condition (4) is most satisfied with certain positions of the active region, shifted relative to the center of the waveguide. Such provisions can be considered necessary from the point of view of higher order mode selection. Thus, the shift of the active region relative to the center of the multimode waveguide to the position where inequality (4) is satisfied is a necessary condition for the threshold relation to be fulfilled only for the zero mode. The thickness of a multimode waveguide is selected from the condition for inequality (4) to be satisfied for at least one position of the active region in the waveguide. With an increase in the thickness of the waveguide, a moment comes when inequality (4) ceases to hold, which indicates a decrease in the selective ability of the structure. In the prototype, the thickness of the multimode waveguide was limited to D _O = 1.7 μm, in which inequality (4) is satisfied for the necessary position of the active region in the multimode waveguide. The structure of the prototype presented in [2] includes two boundary layers of Al _0.3 Ga _0.7 As (E _g = 1.8 eV), characterized by the same refractive indices and simultaneously playing the role of wide-gap highly doped emitters of P- and N-type conductivity. A 1.7-μm-thick waveguide layer is placed between the bounding layers. The active region is located in the waveguide layer of GaAs (E _g = 1.43 eV) at a distance of 0.65 μm from the P-type emitter of electrical conductivity (asymmetrically relative to the plane of symmetry of the waveguide). The active region consists of one InGaAs (Eg = 1.17 eV) quantum well 100 Å thick. For a laser diode made of such a structure, it was possible to achieve values of the output radiation power of 16 W in a continuous mode. The experimental results achieved in pulsed lasing, presented in [9], show that the maximum value of the peak output optical power reached 145 W and was limited by the saturation of the watt-ampere characteristic, which is not associated with heating of the active region.

Актам стимулированной излучательной рекомбинации инжектированных в активную область носителей заряда предшествуют следующие процессы. Инжектируемые из сильнолегированных эмиттеров Р- и N-типа электропроводности дырки и электроны соответственно диффундируют (дрейфуют) сквозь волноводный слой к активной области (квантовой яме). Достигнув активной области, носители захватываются и термализуются на нижние энергетические уровни. Термализация происходит за счет рассеяния энергии инжектированных носителей заряда на полярных оптических фононах [9]. В свою очередь, авторами [9] показано, что для прототипа медленнее релаксируют электроны и время рассеяния энергии для электронов при взаимодействии с полярными оптическими фононами составило величину (2-8)10^-11 с. Из этой оценки времени рассеяния энергии электронов в квантовой яме следует, что электроны доставляются на энергетические уровни с конечной скоростью за время (2-8)10^-11 с [9]. После термализации инжектированных в активную область носителей заряда происходит их рекомбинация. Время, за которое термализованный носитель рекомбинирует, называется временем жизни. До порога генерации инжектируемые в активную область носители заряда участвуют в излучательной спонтанной или безызлучательной рекомбинации и характеризуются временами жизни спонтанной и безызлучательной рекомбинации соответственно. Все носители заряда, инжектированные в активную область выше порога генерации, участвуют только в стимулированной излучательной рекомбинации и характеризуются временем жизни стимулированной излучательной рекомбинации, что подтверждается близким к 100% экспериментальным значением внутреннего квантового выхода стимулированного излучения прототипа [2, 10]. Время жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации, может быть представлено как [9]The following processes precede acts of stimulated radiative recombination of charge carriers injected into the active region. Holes and electrons injected from heavily doped P- and N-type conductors emit, respectively, diffuse (drift) through the waveguide layer to the active region (quantum well). Having reached the active region, carriers are captured and thermalized to lower energy levels. Thermalization occurs due to the scattering of energy of the injected charge carriers on polar optical phonons [9]. In turn, the authors of [9] showed that for the prototype, electrons relax more slowly and the energy dissipation time for electrons in interaction with polar optical phonons was (2-8) 10 ^-11 s. From this estimate of the electron energy scattering time in a quantum well, it follows that the electrons are delivered to energy levels at a finite speed in a time of (2-8) 10 ^-11 s [9]. After thermalization of charge carriers injected into the active region, they recombine. The time it takes for the thermalized carrier to recombine is called the lifetime. Up to the generation threshold, charge carriers injected into the active region participate in radiative spontaneous or nonradiative recombination and are characterized by the lifetimes of spontaneous and nonradiative recombination, respectively. All charge carriers injected into the active region above the lasing threshold participate only in stimulated radiative recombination and are characterized by the lifetime of stimulated radiative recombination, which is confirmed by the prototype’s internal quantum yield close to 100% experimental [2, 10]. The lifetime of charge carriers participating in stimulated radiative recombination can be represented as [9]

где q - заряд электрона, N - концентрация электронов в активной области, V_ar - объем активной области, η_i- квантовый выход стимулированного излучения, I - ток накачки полупроводникового лазера. При этом объем активной области может быть выражен следующим образом:where q is the electron charge, N is the electron concentration in the active region, V _ar is the volume of the active region, η _i is the quantum yield of stimulated radiation, I is the pump current of a semiconductor laser. In this case, the volume of the active region can be expressed as follows:

где L - длина активной области, равная длине Фабри-Перо резонатора лазерного диода, W - ширина активной области, определяемая шириной полоски лазерного диода, d_ar - толщина активной области. При достижении порога генерации концентрация носителей заряда на уровнях, с которых происходит стимулированная рекомбинация, стабилизируется. Стабилизация пороговой концентрации происходит за счет уменьшения времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации в соответствии с выражением (5). С ростом тока накачки время жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации, снижается и при некотором токе сравнивается со временем доставки носителей заряда на уровни генерации. При дальнейшем увеличении тока накачки интенсивность стимулированного излучения с этих уровней стабилизируется и происходит заполнение до пороговых значений концентрации следующих вышележащих энергетических уровней, после чего дальнейший рост интенсивности лазерного излучения происходит за счет роста интенсивности лазерного излучения при стимулированной рекомбинации носителей с новых энергетических уровней. Таким образом, с ростом тока накачки происходит заполнение активной области носителями заряда. Как следствие, растет ширина спектра генерации и увеличивается выброс электронов в волноводные слои. Рост концентрации электронов в волноводных слоях приводит к выполнению порогового условия, и наблюдается генерация излучения из волноводного слоя. Генерация излучения из волноводного слоя является эффективным каналом токовых утечек рекомбинационного тока активной области, приводящей к резкому снижению дифференциальной квантовой эффективности и, как следствие, насыщению максимальной мощности излучения [9].where L is the length of the active region equal to the Fabry-Perot length of the cavity of the laser diode, W is the width of the active region, determined by the width of the strip of the laser diode, d _ar is the thickness of the active region. When the generation threshold is reached, the concentration of charge carriers at the levels from which stimulated recombination occurs is stabilized. The threshold concentration is stabilized by decreasing the lifetime of charge carriers participating in stimulated radiative recombination in accordance with expression (5). With an increase in the pump current, the lifetime of charge carriers participating in stimulated radiative recombination decreases and at some current it is compared with the time of delivery of charge carriers to the generation levels. With a further increase in the pump current, the intensity of stimulated radiation from these levels stabilizes and the concentration of the next overlying energy levels is filled to threshold values, after which a further increase in the intensity of laser radiation occurs due to an increase in the intensity of laser radiation during stimulated recombination of carriers from new energy levels. Thus, with increasing pump current, the active region is filled with charge carriers. As a result, the width of the generation spectrum increases and the emission of electrons into the waveguide layers increases. An increase in the electron concentration in the waveguide layers leads to the fulfillment of the threshold condition, and generation of radiation from the waveguide layer is observed. Generation of radiation from the waveguide layer is an effective channel for current leakage of the recombination current of the active region, which leads to a sharp decrease in the differential quantum efficiency and, as a result, to saturation of the maximum radiation power [9].

Таким образом, в лазерных диодах на основе гетероструктур с квантово-размерными активными областями, в том числе в прототипе и аналогах, максимальное значение пиковой мощности в импульсном режиме генерации было обусловлено насыщением ватт-амперной характеристики, и дальнейшее увеличение пиковой мощности было невозможно. Продемонстрированные прототипом максимальные значения мощности, ограниченные насыщением ватт-амперной характеристики, далеки от потенциального предела, характеризуемого оптическим пробоем материала кристалла лазерного диода [11]. Кроме этого увеличение тока накачки до максимального значения, соответствующего предельно достижимой мощности излучения, сопровождалось уширением спектра генерации, что снижает эффективность использования лазерного излучения при накачке нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это значит, что оптимизированные для достижения максимальных мощностей излучения в непрерывном режиме генерации параметры гетероструктуры не позволяют достичь высоких мощностей излучения в импульсном режиме. Это обусловлено тем, что амплитуды импульсных токов накачки мощных импульсных лазерных диодов на порядки превышают амплитуды непрерывных токов накачки мощных лазерных диодов. Поэтому на настоящий момент остается актуальной проблема создания полупроводникового лазера, обладающего повышенной мощностью излучения в импульсном режиме генерации и одновременно узким спектром генерации.Thus, in laser diodes based on heterostructures with quantum-well active regions, including the prototype and analogues, the maximum value of the peak power in the pulsed generation mode was due to the saturation of the watt-ampere characteristic, and a further increase in the peak power was impossible. The maximum power values demonstrated by the prototype, limited by the saturation of the watt-ampere characteristic, are far from the potential limit characterized by the optical breakdown of the material of the laser diode crystal [11]. In addition, an increase in the pump current to a maximum value corresponding to the maximum achievable radiation power was accompanied by a broadening of the generation spectrum, which reduces the efficiency of using laser radiation when pumping nonlinear crystals, fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers. This means that the heterostructure parameters optimized to achieve maximum radiation powers in the continuous generation mode do not allow reaching high radiation powers in the pulsed mode. This is due to the fact that the amplitudes of the pulsed pump currents of high-power pulsed laser diodes are orders of magnitude higher than the amplitudes of continuous pump currents of high-power laser diodes. Therefore, the problem of creating a semiconductor laser with an increased radiation power in a pulsed lasing mode and at the same time a narrow lasing spectrum remains an urgent problem.

Предлагаемое изобретение решает задачи увеличения максимальной пиковой мощности лазерного излучения при одновременном снижении ширины спектра лазерного диода в импульсном режиме генерации.The present invention solves the problem of increasing the maximum peak power of the laser radiation while reducing the width of the spectrum of the laser diode in the pulsed generation mode.

Задачи решаются тем, что в известном инжекционном лазере, содержащем гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами р- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению

, где

и

- факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1,2,3…) соответственно, отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор, новым является то, что активную область образует объемный слой полупроводникового материала, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны волновода, толщина объемной активной области d_ar удовлетворяет неравенству

, где

- постоянная планка, m_h,e - масса дырки или электрона, λ - длина волны генерации в вакууме, Е - кинетическая энергия носителей заряда, при расчете между m_h и m_е выбирается наименьшая, а расположение в волноводе определяется из условия выполнения упомянутого соотношения

, причем расстояния от активной области до р- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии в волноводе дырок и электронов соответственно.The problems are solved in that in a known injection laser containing a separate confinement heterostructure, including a multimode waveguide, the confining layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, the active region, consisting of at least one quantum dimensional active layer, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation

where

and

- optical restriction factors for the active region of the zero mode and mode m (m = 1,2,3 ...), respectively, reflectors, optical faces, ohmic contacts and an optical resonator, new is that the active region is formed by a bulk layer of a semiconductor material, the forbidden width whose zone is less than the band gap of the waveguide, the thickness of the volume active region d _ar satisfies the inequality

where

is the constant bar, m _{h, e} is the mass of the hole or electron, λ is the generation wavelength in vacuum, E is the kinetic energy of the charge carriers, the smallest is chosen when calculating between m _h and m _e , and the location in the waveguide is determined from the condition for the above relation

and the distances from the active region to the p and n emitters do not exceed the diffusion lengths in the waveguide of holes and electrons, respectively.

В предложенном техническом решении обеспечение возможности увеличения максимальной пиковой мощности в импульсном режиме генерации стало возможным за счет увеличения объема активной области V_ar. Это связано с тем, что при одинаковых значения тока накачки лазерные диоды с большим объемом активной области будут характеризоваться большими значениями времен жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации. Значит, лазерные диоды с большим объемом активной области будут характеризоваться большими токами, при которых наступает насыщение, обусловленное снижением времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации до значения времени доставки инжектированных носителей за счет термической релаксации. В предложенном техническом решении одновременно с ростом пиковой мощности сохраняется узкой ширина спектра излучения. Это возможно за счет большего времени жизни носителей заряда, участвующих в стимулированной излучательной рекомбинации по сравнению с временем термической релаксации, что не позволяет выполнить условия заполнения вышележащих энергетических уровней и достичь на них порога генерации.In the proposed technical solution, providing the possibility of increasing the maximum peak power in the pulsed generation mode was made possible by increasing the volume of the active region V _ar . This is due to the fact that, at the same pump current, laser diodes with a large volume of the active region will be characterized by large values of the lifetimes of the charge carriers involved in stimulated radiative recombination. Therefore, laser diodes with a large volume of the active region will be characterized by high currents at which saturation occurs due to a decrease in the lifetime of charge carriers participating in stimulated radiative recombination to the value of the delivery time of injected carriers due to thermal relaxation. In the proposed technical solution, at the same time as the peak power increases, the width of the radiation spectrum is kept narrow. This is possible due to the longer lifetime of charge carriers participating in stimulated radiative recombination compared with the thermal relaxation time, which does not allow filling the overlying energy levels and reaching the generation threshold on them.

Если рассматривать лазерные диоды с одинаковой шириной полоска (W), то в соответствии с (5) и (6) объем активной области можно увеличить, увеличивая длину резонатора. Для достижения высоких выходных мощностей излучения такой вариант имеет серьезные ограничения, связанные с падением внешней дифференциальной квантовой эффективности с увеличением длины резонатора более 4 мм при минимально достижимой величине внутренних оптических потерь 0.34 см^-1.If we consider laser diodes with the same strip width (W), then, in accordance with (5) and (6), the volume of the active region can be increased by increasing the cavity length. To achieve high output radiation powers, this option has serious limitations associated with a decrease in the external differential quantum efficiency with an increase in the cavity length of more than 4 mm with a minimum achievable internal optical loss of 0.34 cm ^-1 .

Предлагаемое нами техническое решение дает возможность увеличить объем активной области на порядки по сравнению с прототипом при сохранении величины внешней дифференциальной квантовой эффективности. При этом несмотря на то что толщина объемной активной области в изобретении существенно возрастает по сравнению с квантово-размерной активной областью в прототипе, но внутренние оптические потери в предлагаемом варианте решения возрастают незначительно. Это связано с использованием сверхтолстого многомодового волновода, что ведет к слабой локализации поля фундаментальной моды объемным слоем активной области. Низкие внутренние оптические потери (до 1 см^-1) позволят изготавливать лазерные диоды с длинами резонатора 1-3 мм без существенного падения внешней дифференциальной квантовой эффективности. Сохранение возможности изготовления лазерных диодов с длинами резонатора 1-3 мм является важным условием достижения высоких выходных оптический мощностей излучения и узкого спектра генерации. Это связано с тем, что для получения высоких выходных оптических мощностей излучения через лазерный диод необходимо пропускать токи накачки более 100 А, что соответствует плотностям токов накачки 200 кА/см² и 30 кА/см² для лазерных диодов с длинами резонатора 0.5 мм и 3 мм соответственно. А т.к. при близких значениях внешней дифференциальной эффективности для лазерных диодов с различной длиной резонатора максимальная мощность зависит от тока накачки, то наибольшей надежностью будет обладать лазер с меньшей рабочей плотностью тока. В этом случае увеличение длины резонатора позволит снизить величину плотности тока накачки.Our technical solution makes it possible to increase the volume of the active region by orders of magnitude compared to the prototype while maintaining the magnitude of the external differential quantum efficiency. In this case, despite the fact that the thickness of the volume active region in the invention increases significantly compared to the quantum-dimensional active region in the prototype, but the internal optical loss in the proposed solution increases slightly. This is due to the use of an ultra thick multimode waveguide, which leads to weak localization of the fundamental mode field by the bulk layer of the active region. Low internal optical losses (up to 1 cm ^-1 ) will make it possible to produce laser diodes with cavity lengths of 1-3 mm without a significant drop in external differential quantum efficiency. Maintaining the possibility of manufacturing laser diodes with a cavity length of 1-3 mm is an important condition for achieving high output optical radiation powers and a narrow generation spectrum. This is due to the fact that in order to obtain high output optical radiation powers through the laser diode, it is necessary to pass pump currents of more than 100 A, which corresponds to pump current densities of 200 kA / cm ² and 30 kA / cm ² for laser diodes with resonator lengths of 0.5 mm and 3 mm respectively. And since at close values of the external differential efficiency for laser diodes with different cavity lengths, the maximum power depends on the pump current, then a laser with a lower working current density will have the greatest reliability. In this case, an increase in the cavity length will make it possible to decrease the value of the pump current density.

В предложенном техническом решении минимальная толщина слоя объемной активной области характеризуется величиной

. Это увеличенная в 10 раз длина волны Де Бройля, характеризующая волновую природу носителей, инжектированных в потенциальную яму. В этом случае по оптическим свойствам и энергетической структуре слой материала активной области совпадает с объемным материалом. Благодаря этому процесс термической релаксации, как показано авторами [12], имеет максимальную скорость.In the proposed technical solution, the minimum layer thickness of the volumetric active region is characterized by

. This is a 10-fold increase in the de Broglie wavelength, which characterizes the wave nature of the carriers injected into the potential well. In this case, according to the optical properties and energy structure, the material layer of the active region coincides with the bulk material. Due to this, the thermal relaxation process, as shown by the authors of [12], has a maximum speed.

В предложенном техническом решении за счет слабой локализации оптического поля фундаментальной моды в активной области ее максимальная толщина ограничена величиной 0.1·λ, при которой удается сохранить внутренние оптические потери на уровне 1 см^-1. Дальнейшее увеличение толщины активной области нецелесообразно, т.к. это ведет к резкому росту внутренних оптических потерь и соответственно падению мощности выходящего излучения.In the proposed technical solution, due to the weak localization of the optical field of the fundamental mode in the active region, its maximum thickness is limited to 0.1 · λ, at which it is possible to maintain the internal optical loss at a level of 1 cm ^-1 . A further increase in the thickness of the active region is impractical because this leads to a sharp increase in internal optical losses and, accordingly, a drop in the power of the output radiation.

Для создания предлагаемого лазера, принимая во внимание длину волны генерации (λ), выбирают толщину активной области, удовлетворяющую неравенству

, а также материалы для слоев оптического ограничения и волновода лазерной гетероструктуры, лежащей в основе изобретения. Выбор материалов для слоев оптического ограничения и волновода основывается на тех же принципах, которые были изложены для прототипа и аналогов. Учитывая желаемую полуширину дальнего поля на половине интенсивности в плоскости, перпендикулярной р-n переходу (Θ⊥), используя соотношение из работы [8, с.94], связывающее значение Θ⊥ с распределением поля в гетероструктуре и волновое уравнение, которое связывает распределение поля в гетероструктуре с параметрами слоев, определяют возможные толщины волновода. Для определения положения активной области находят все решения волнового уравнения для определения всех возможных конфигураций поля, далее определяют зависимость фактора оптического ограничения активной области от ее положения в волноводе для всех определенных конфигураций поля. Далее проверяют выполнение условия (4) и из всех положений активной области, для которых неравенство (4) выполняется, выбирают любое, в котором расстояния от слоев оптического ограничения, выполняющих одновременно роль широкозонных эмиттеров, до активной области не больше длины диффузии инжектированных носителей заряда.To create the proposed laser, taking into account the generation wavelength (λ), choose the thickness of the active region, satisfying the inequality

as well as materials for the optical confinement layers and the waveguide of the laser heterostructure underlying the invention. The choice of materials for the layers of the optical confinement and the waveguide is based on the same principles that were outlined for the prototype and analogues. Given the desired half-width of the far field at half the intensity in the plane perpendicular to the pn junction (Θ⊥), using the relation from [8, p. 94], relating the value of Θ⊥ to the field distribution in the heterostructure and the wave equation that relates the field distribution in a heterostructure with layer parameters, the possible thickness of the waveguide is determined. To determine the position of the active region, all solutions of the wave equation are found to determine all possible field configurations, then the dependence of the optical limitation factor of the active region on its position in the waveguide is determined for all defined field configurations. Next, verify the fulfillment of condition (4), and from all positions of the active region for which inequality (4) is satisfied, choose any one in which the distances from the optical confinement layers, which simultaneously play the role of wide-band emitters, to the active region are not greater than the diffusion length of the injected charge carriers.

На чертеже представлено схематическое изображение сечения одного из примеров выполнения предлагаемого инжекционного лазера, который в общем случае включает в себя следующие элементы: подложка 1 n-типа электропроводности, с одной стороны расположен омический контакт 2, с противоположной стороны располагается легированный примесью n-типа слой оптического ограничения (широкозонный эмиттер) 3, далее расположены: первая часть волноводного слоя 4, объемный слой активной области 5, вторая часть волноводного слоя 6, легированный примесью р-типа слой оптического ограничения 7, контактный слой 8, легированный примесью р-типа, омический контакт 9. На сколотую грань 10 нанесены просветляющие (R=5%) диэлектрические покрытия, на сколотую грань 11 нанесены отражающие (R=95%) диэлектрические покрытия. Грани 10 и 11 образуют резонатор Фабри-Перо.The drawing shows a schematic sectional view of one example of the proposed injection laser, which generally includes the following elements: substrate 1 of n-type electrical conductivity, ohmic contact 2 is located on one side, and an optical layer doped with an n-type impurity is located on the opposite side restrictions (wide-band emitter) 3, further located: the first part of the waveguide layer 4, the bulk layer of the active region 5, the second part of the waveguide layer 6, doped with a p-type impurity a layer of optical limitation 7, a contact layer 8 doped with a p-type impurity, an ohmic contact 9. On the cleaved face 10, antireflection (R = 5%) dielectric coatings were applied, and on the cleaved face 11 reflective (R = 95%) dielectric coatings were applied. Facets 10 and 11 form a Fabry-Perot resonator.

Работа лазера.Laser work.

Через омические контакты 2 и 9 пропускают импульсный электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению р-n перехода. Для подавления перегрева активной области длительность импульса менее 100 нс, а частота менее 100 кГц. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения через просветляющее покрытие, нанесенное на грань 10, выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения помимо параметров структуры зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока.A pulsed electric current is passed through ohmic contacts 2 and 9, and the operation mode of the injection laser (laser diode) corresponds to the forward bias of the pn junction. To suppress overheating of the active region, the pulse duration is less than 100 ns, and the frequency is less than 100 kHz. When exceeding the current passed through the injection laser, the threshold value through the antireflection coating deposited on the face 10, the laser radiation comes out. The power of the output radiation, in addition to the structure parameters, depends on the value of the current transmitted through the laser heterostructure.

Пример 1Example 1

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=867 нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры прототипа: активная область 5 была выполнена из слоя GaAs (m_e=0.07m_o, m_h=0.5m_о, Е=0.025 мэВ, где m_о - масса свободного электрона) толщиной 800 с шириной запрещенной зоны 1.42 эВ, волновод 4 и 6 - из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As (n=3.419), эмиттерные слои 3 и 7- из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As(n=3.34). Была выбрана предварительная толщина волноводного слоя (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения) D_O=1.7 мкм. Для волновода, выполненного из Al_0.326Ga_0.674As с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3 (длина диффузии электронов - L_N=9 мкм и дырок - L_p=2 мкм), она составляла D_O=1.7 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 0.4 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (4) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно.The following compositions of the prototype heterostructure layers were chosen as the base ones (based on the selected radiation wavelength λ = 867 nm): the active region 5 was made of a GaAs layer (m _e = 0.07m _o , m _h = 0.5m _o , E = 0.025 meV where m _о is the mass of a free electron) with a thickness of 800 with a band gap of 1.42 eV, waveguide 4 and 6 are from Al _0.326 Ga _0.674 As solid solution (n = 3.419), emitter layers 3 and 7 are from Al _0.5 Ga _0.5 solid solution As (n = 3.34). The preliminary thickness of the waveguide layer was selected (based on the requirements for the waveguide — it should be multimode based on the solution of the wave equation) D _O = 1.7 μm. For a waveguide made of Al _0.326 Ga _0.674 As with an electron concentration of n = 10 ¹⁵ cm ^-3 (the diffusion length of electrons is L _N = 9 μm and of holes L _p = 2 μm), it was D _O = 1.7 μm. For the selected values of the parameters of the laser heterostructure for different positions of the active region in the waveguide, the wave equation was solved. From the solutions found, field distributions were obtained for all modes. Based on the obtained distributions, the values of the optical limitation factors of the active region for all modes in each of the possible positions of the additional layer were determined. From the obtained dependences, it was determined that in the case when the active region (its center) is located at a distance of 0.4 μm from the wide-gap p-type emitter, inequality (4) is satisfied and the distance from the active region to the p- and n-emitters is less than the hole diffusion length and electrons, respectively.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 1 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения 3, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 4, выполненная из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As толщиной 1.26 мкм, далее располагается активная область 5, выполненная из GaAs толщиной 800 Å, далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.326Ga_0.674As толщиной 0.36 мкм, далее располагается легированный магнием до степени P=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения 7, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 8, выполненный из GaAs толщиной 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 9. На одну из сколотых граней 10 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 11 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 2 мм. Для такого лазерного диода мощность излучения в импульсном режиме генерации (длительность импульса 100 нс, а частота 10 кГц) достигает 195 Вт, ширина спектра излучения составляет 11 нм.Thus, we have the following laser heterostructure design: a GaAs substrate 1 doped with an n-type impurity, on the one hand there is an optical-restriction layer 3 doped with silicon to the degree of N = 10 ¹⁸ cm ^-3 n-type, made of Al _0.5 Ga solid solution _0.5 As 2 μm thick, then the first part of the waveguide layer 4, made of Al _0.326 Ga _0.674 As solid solution 1.26 μm thick, is located, then the active region 5, made of 800 Å GaAs, is located, then the second part of the waveguide layer 6, made of tver of an aqueous solution of Al _0.326 Ga _0.674 As 0.36 μm thick, then is doped with magnesium to the degree of P = 10 ¹⁸ cm ^–3 p-layer of optical restriction 7, made of a solid solution of Al _0.5 Ga _0.5 As 2 μm thick, then the contact layer 8 made of GaAs with a thickness of 0.2 μm, doped with magnesium to the degree of P = 10 ¹⁸ cm ^-3 , then the ohmic contact 9 is located. On one of the chipped faces 10 are coated with dielectric coatings (SiO ₂ layers, R = 5%), on the opposite chipped face 11 are applied reflective (three pairs of layers of SiO ₂ + Si, R = 95%) dielectric coverings. The width of the ohmic contacts is 100 μm. The length of the Fabry-Perot resonator (the distance between the optical faces) is 2 mm. For such a laser diode, the radiation power in the pulsed generation mode (pulse duration 100 ns, and a frequency of 10 kHz) reaches 195 W, the width of the radiation spectrum is 11 nm.

Пример 2Example 2

В качестве базовых (исходя из выбранной длины волны излучения λ=867нм) были выбраны следующие составы слоев гетероструктуры прототипа: активная область 5 была выполнена из слоя GaAs толщиной 1200 с шириной запрещенной зоны 1.42 эВ, волновод 4 и 6 - из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As (n=3.431), эмиттерные слои 3 и 7 - из твердого раствора Al_0.5Ga_0,5As(n=3.34). Была выбрана предварительная толщина волноводного слоя (на основании требований к волноводу - он должен быть многомодовым на основании решения волнового уравнения) D_O=2.7 мкм. Для волновода, выполненного из Al_0.3Ga_0.7As с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3, она составляла D_O=2.7 мкм. Для выбранных значений параметров лазерной гетероструктуры для разных положений активной области в волноводе решалось волновое уравнение. Из найденных решений были получены распределения полей для всех мод. На основании полученных распределений были определены значения факторов оптического ограничения активной области для всех мод в каждом из возможных положений дополнительного слоя. Из полученных зависимостей было определено, что в случае когда активная область (ее центр) расположена на расстоянии 0.6 мкм от широкозонного эмиттера р-типа электропроводности, неравенство (4) выполняется и расстояние от активной области до р- и n-эмиттеров меньше длины диффузии дырок и электронов соответственно.The following compositions of the prototype heterostructure layers were chosen as the base ones (based on the selected radiation wavelength λ = 867 nm): the active region 5 was made of a 1200 GaAs layer with a band gap of 1.42 eV, waveguide 4 and 6 were made from Al _0.3 Ga solid solution _0.7 As (n = 3.431), emitter layers 3 and 7 are from Al _0.5 Ga _0.5 As solid solution (n = 3.34). The preliminary thickness of the waveguide layer was selected (based on the requirements for the waveguide — it must be multimode based on the solution of the wave equation) D _O = 2.7 μm. For a waveguide made of Al _0.3 Ga _0.7 As with an electron concentration n = 10 ¹⁵ cm ^–3 , it was D _O = 2.7 μm. For the selected values of the parameters of the laser heterostructure for different positions of the active region in the waveguide, the wave equation was solved. From the solutions found, field distributions were obtained for all modes. Based on the obtained distributions, the values of the optical limitation factors of the active region for all modes in each of the possible positions of the additional layer were determined. From the obtained dependences, it was determined that in the case when the active region (its center) is located at a distance of 0.6 μm from the wide-gap p-type emitter, inequality (4) is satisfied and the distance from the active region to p- and n-emitters is less than the hole diffusion length and electrons, respectively.

Таким образом, имеем следующую конструкцию лазерной гетероструктуры: подложка 1 из GaAs, легированная примесью n-типа, с одной стороны располагается легированный кремнием до степени N=10¹⁸ см^-3 n-типа слой оптического ограничения 3, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается первая часть волноводного слоя 4, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 2.04 мкм, далее располагается активная область 5, выполненная из GaAs толщиной 1200 А, далее располагается вторая часть волноводного слоя 6, выполненная из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 0.54 мкм, далее располагается легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3 р-слой оптического ограничения 7, выполненный из твердого раствора Al_0.5Ga_0.5As толщиной 2 мкм, далее располагается контактный слой 8, выполненный из GaAs толщиной 0.2 мкм, легированный магнием до степени Р=10¹⁸ см^-3, далее располагается омический контакт 9. На одну из сколотых граней 10 нанесены просветляющие (слои SiO₂, R=5%) диэлектрические покрытия, на противоположную сколотую грань 11 нанесены отражающие (три пары слоев из SiO₂+Si, R=95%) диэлектрические покрытия. Ширина омических контактов составляет 100 мкм. Длина резонатора Фабри-Перо (расстояние между оптическими гранями) составляет 2.5 мм. Для такого лазерного диода мощность излучения в импульсном режиме генерации (длительность импульса 50 нс, а частота 10 кГц) достигает 210 Вт, ширина спектра излучения составляет 14 нм.Thus, we have the following laser heterostructure design: a GaAs substrate 1 doped with an n-type impurity, on the one hand there is an optical-restriction layer 3 doped with silicon to the degree of N = 10 ¹⁸ cm ^-3 n-type, made of Al _0.5 Ga solid solution _0.5 As 2 μm thick, then the first part of the waveguide layer 4, made of a solid solution of Al _0.3 Ga _0.7 As 2.04 μm thick, is located, then the active region 5 made of GaAs with a thickness of 1200 A is located, then the second part of the waveguide layer 6, made of hard solution of Al _0.3 Ga _0.7 As 0.54 micron thick, is further doped with Mg to a degree P = 10 ¹⁸ cm ^-3 p-layer optical confinement 7 made of a solid solution of Al _{_0.5} Ga _0.5 As 2 microns thick, is located further contact layer 8, made of GaAs with a thickness of 0.2 μm, doped with magnesium to the degree of P = 10 ¹⁸ cm ^-3 , then the ohmic contact 9 is located. On one of the chipped faces 10 are coated with dielectric coatings (SiO ₂ layers, R = 5%), on the opposite chipped face 11 deposited reflective (three layer pairs of SiO ₂ + Si, R = 95%) of the dielectric rytiya. The width of the ohmic contacts is 100 μm. The length of the Fabry-Perot resonator (the distance between the optical faces) is 2.5 mm. For such a laser diode, the radiation power in the pulsed generation mode (pulse duration 50 ns, and a frequency of 10 kHz) reaches 210 W, the width of the radiation spectrum is 14 nm.

ЛитератураLiterature

[1] A.Al-Muhanna, L.J.Mawst, D.Botez, D.Z.Garbuzov, R.U.Martinelly, J.C.Conolly. Appl. Phys. Lett., v.73, No.9 (1998), pp.1182-1184.[1] A. Al-Muhanna, L.J. Mawst, D. Botez, D.Z. Garbuzov, R.U. Martinelly, J.C. Conolly. Appl. Phys. Lett., V.73, No.9 (1998), pp. 1182-1184.

[2] С.О.Слипченко, Д.А.Винокуров, Н.А.Пихтин, З.Н.Соколова, А.Л.Станкевич, И.С.Тарасов, Ж.И.Алферов. ФТП, т.38, с.1477 (2004).[2] S.O. Slipchenko, D. A. Vinokurov, N. A. Pikhtin, Z. N. Sokolova, A. L. Stankevich, I. S. Tarasov, J. I. Alferov. FTP, vol. 38, p. 1477 (2004).

[3] Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, А.В.Лютецкий, Д.Н.Николаев, Н.А.Пихтин, А.В.Рожков, Н.А.Рудова, С.О.Слипченко, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, М.А.Хомылев, В.В.Шамахов, К.С.Борщев, И.С.Тарасов. ПЖТФ, т.32, вып.16, с.47 (2006).[3] D.A. Vinokurov, V.A. Kapitonov, A.V. Lyutetskiy, D. N. Nikolayev, N. A. Pikhtin, A. V. Rozhkov, N. A. Rudova, S. O. Slipchenko , A.L. Stankevich, N.V. Fetisova, M.A. Khomylyov, V.V. Shamakhov, K.S. Borschev, I.S. Tarasov. PZhTF, v.32, issue 16, p. 47 (2006).

[4] Д.А.Винокуров, А.Л.Станкевич, В.В.Шамахов, В.А.Капитонов, А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, Д.Н.Николаев, Н.А.Пихтин, Н.А.Рудова, З.Н.Соколова, С.О.Слипченко, М.А.Хомылев, И.С.Тарасов. ФТП, т.40, с.764 (2006).[4] D.A. Vinokurov, A.L. Stankevich, V.V. Shamakhov, V.A. Kapitonov, A.Yu. Leshko, A.V. Lyutetskiy, D.N. Nikolayev, N.A. Pikhtin , N.A. Rudova, Z.N. Sokolova, S.O. Slipchenko, M.A. Khomylyov, I.S. Tarasov. FTP, vol. 40, p. 764 (2006).

[5] Патент RU №2259620, опубл. 27.08.2005. [5] Patent RU No. 2259620, publ. 08/27/2005.

[6] Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, Д.Н.Николаев, А.Л.Станкевич, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, И.Н.Арсентьев, И.С.Тарасов. ФТП, т.35, с.1380 (2001).[6] D.A. Vinokurov, V.A. Kapitonov, D.N. Nikolayev, A.L. Stankevich, A.V. Lyutetskiy, N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova , N.V. Fetisova, I.N. Arsentiev, I.S. Tarasov. FTP, vol. 35, p. 1380 (2001).

[7] Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, т.38, с.374 (2004).[7] N. A. Pikhtin, S. O. Slipchenko, Z. N. Sokolova, I. S. Tarasov. FTP, vol. 38, p. 374 (2004).

[8] Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах. Москва, Мир, 1981.[8] H. Casey, M. Panish. Heterostructure lasers. Moscow, Mir, 1981.

[9] С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.А.Пихтин, К.С.Борщев, Д.А.Винокуров, И.С.Тарасов. ФТП, т.40, с.1017 (2006).[9] S. O. Slipchenko, Z. N. Sokolova, N. A. Pikhtin, K. S. Borschev, D. A. Vinokurov, I. S. Tarasov. FTP, vol. 40, p. 1017 (2006).

[10] Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов. ФТП, т.36, с.364 (2002).[10] N. A. Pikhtin, S. O. Slipchenko, Z. N. Sokolova, I. S. Tarasov. FTP, vol. 36, p. 364 (2002).

[11] А.Н.Пихтин. Оптическая и квантовая электроника. Москва, Высшая школа, 2001.[11] A.N. Pikhtin. Optical and quantum electronics. Moscow, Higher School, 2001.

[12] Л.Е. Воробьев, С.Н.Данилов, Е.Л.Ивченко, М.Е.Левинштейн, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах. Санкт-Петербург, Наука, 2000.[12] L.E. Vorobev, S.N. Danilov, E.L. Ivchenko, M.E. Levinshtein, D.A. Firsov, V.A. Shalygin. Kinetic and optical phenomena in strong electric fields in semiconductors and nanostructures. St. Petersburg, Science, 2000.

Claims

A pulsed injection laser containing a separate confinement heterostructure, including a multimode waveguide, the boundary layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, the active region, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation

Where

and

- optical limiting factors for the active region of the zero mode and mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively, reflectors, optical faces, ohmic contacts and an optical resonator, characterized in that the active region is formed by a bulk layer of semiconductor material, the band gap which is less than the band gap of the waveguide, the thickness of the volume active region d _ar satisfies the inequality

Where

is the constant bar, m _{h, e} is the mass of the hole or electron, λ is the generation wavelength in vacuum, E is the kinetic energy of the charge carriers, the smallest is chosen when calculating between m _h and m _e , and the distances from the active region to p- and n -emitters do not exceed the diffusion lengths in the waveguide of holes and electrons, respectively.