RU2408119C2 - Semiconductor laser - Google Patents
Semiconductor laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2408119C2 RU2408119C2 RU2008150671/28A RU2008150671A RU2408119C2 RU 2408119 C2 RU2408119 C2 RU 2408119C2 RU 2008150671/28 A RU2008150671/28 A RU 2008150671/28A RU 2008150671 A RU2008150671 A RU 2008150671A RU 2408119 C2 RU2408119 C2 RU 2408119C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- heterostructure
- laser according
- resonator
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах.The invention relates to quantum electronics and electronic equipment and can be used in devices with a powerful light beam, in particular in television projectors, laser locators.
Известен лазер типа излучающее зеркало, являющийся полупроводниковым лазером с продольной накачкой электронным пучком и содержащий импульсный источник электронов высокой энергии, лазерную мишень, представляющую собой монокристаллическую полупроводниковую пластину с высокоотражающим зеркальным покрытием со стороны, бомбардируемой электронами, приклеенную к хладопроводящей прозрачной подложке, и внешнее отражающее зеркало (О.В.Богданкевич, С.А.Дарзнек, П.Г.Елисеев. Полупроводниковые лазеры. М., Наука, 1976. С.276).A known laser is a type of emitting mirror, which is a semiconductor laser with longitudinal electron-beam pumping and containing a pulsed high-energy electron source, a laser target, which is a single-crystal semiconductor wafer with a highly reflective mirror coating on the side bombarded by electrons, glued to a cold-conducting transparent substrate, and an external reflective mirror (O.V. Bogdankevich, S. A. Darznek, P. G. Eliseev. Semiconductor lasers. M., Nauka, 1976. P.276).
Для увеличения мощности излучения за счет увеличения поперечных к оси резонатора размеров возбужденной области полупроводниковую пластину разрезают на ячейки, размеры которых выбирают меньше обратной величины коэффициента усиления на пороге генерации, α1, чтобы исключить влияние сброса усиленного спонтанного шума на характеристики лазера.To increase the radiation power due to the increase in the transverse to the cavity axis dimensions of the excited region, the semiconductor wafer is cut into cells whose sizes are chosen less than the reciprocal of the gain at the generation threshold, α 1 , to exclude the influence of the discharge of amplified spontaneous noise on the laser characteristics.
Недостатком данного устройства является то, что оно работает при слишком высоких энергиях электронов, выше 150 кэВ. С уменьшением энергии электронов до 50 кэВ и ниже, при которых возможно широкое практическое применение подобных приборов, порог генерации при комнатной температуре растет, толщину пластины и поперечные размеры области возбуждения необходимо уменьшать, что приводит к быстрой деградации прибора. Кроме того, направленность таких лазеров недостаточно высокая.The disadvantage of this device is that it works at too high electron energies, above 150 keV. With a decrease in the electron energy to 50 keV and lower, at which widespread practical application of such devices is possible, the generation threshold at room temperature increases, the plate thickness and the transverse dimensions of the excitation region need to be reduced, which leads to rapid degradation of the device. In addition, the directivity of such lasers is not high enough.
Известна лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая источник электронного пучка и средства для его управления, лазерную мишень, выполненную в виде гетероструктуры и включающую в себя образующие оптический резонатор два зеркала, одно из которых высокоотражающее, а другое - частично пропускающее, активную полупроводниковую среду с напряженными квантовыми ямами, помещенными между зеркалами, и опорную подложку для оптического резонатора (Козловский В.И., Лаврушин Б.М. Лазерная электронно-лучевая трубка. Патент РФ №2056665).A known laser cathode ray tube containing an electron beam source and means for controlling it, a laser target made in the form of a heterostructure and including two mirrors forming an optical resonator, one of which is highly reflective and the other partially transmits an active semiconductor medium with strained quantum wells placed between the mirrors, and a support substrate for an optical resonator (Kozlovsky V.I., Lavrushin B.M. Laser cathode ray tube. RF patent No. 2056665).
Данное устройство представляет собой полупроводниковый лазер с продольной накачкой остросфокусированным сканирующим электронным пучком. Использование гетероструктуры с напряженными квантовыми ямами позволяет существенно снизить порог генерации при комнатной температуре и расширить набор материалов, которые могут быть использованы, что, в конечном счете, позволяет реализовать генерацию в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.This device is a longitudinally pumped semiconductor laser with a sharply focused scanning electron beam. The use of a heterostructure with strained quantum wells makes it possible to significantly reduce the lasing threshold at room temperature and to expand the range of materials that can be used, which ultimately allows lasing in the visible and ultraviolet regions of the spectrum.
Недостатком данного устройства является то, что поперечные размеры области возбуждения, ограничиваемые размерами диаметра электронного пучка, не могут быть больше 100 мкм из-за сброса инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся вне генерируемых мод резонатора. Кроме того, резонатор в данном устройстве имеет длину в несколько микрон и не может обеспечить высокую направленность излучения.The disadvantage of this device is that the transverse dimensions of the excitation region, limited by the diameter of the electron beam, cannot be greater than 100 μm due to the inversion dumping by amplified spontaneous noise propagating outside the generated resonator modes. In addition, the resonator in this device has a length of several microns and cannot provide a high radiation directivity.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полупроводниковый лазер с оптической накачкой, содержащий резонансно-периодическую наноструктуру с квантовыми ямами из InGaAs/GaAsP и брэгговским зеркалом из эпитаксиальных слоев AlGaAs/GaAs, закрепленную на хладопроводе, внешнее сферической полупрозрачное зеркало и средство для оптической накачки, состоящее из лазерных диодов и согласующей оптической системы (Caprara Andrea, Chilla Juan L., Spinelli Luis A., High-power external-cavity optically-pumped semiconductor laser, US Patent 6,285,702 September 4, 2001; J. Chilla, St. Butter-worth, A. Zeitschel, J. Charles, A. Carpara, M. Reed, L, Spinelli High power optically pumped semiconductor lasers, Proc/ of SPIE, Vol.5332, P.143-150 (2004).)Closest to the claimed technical solution is an optical pumped semiconductor laser containing a resonant periodic nanostructure with InGaAs / GaAsP quantum wells and a Bragg mirror of AlGaAs / GaAs epitaxial layers, mounted on a coolant, an external spherical translucent mirror, and an optical of laser diodes and matching optical system (Caprara Andrea, Chilla Juan L., Spinelli Luis A., High-power external-cavity optically-pumped semiconductor laser, US Patent 6,285,702 September 4, 2001; J. Chilla, St. Butter-worth , A. Zeitschel, J. Charles, A. Carpara, M. Reed , L, Spinelli High power optically pumped semiconductor lasers, Proc / of SPIE, Vol. 5332, P.143-150 (2004).)
В данной наноструктуре квантовые ямы помещены в пучности моды резонатора, что обеспечивает примерно в два раза больший коэффициент оптического усиления в направлении оптической оси резонатора, чем в поперечном направлении. Поперечный размер области возбуждения изменялся от 500 до 900 мкм, а длина активной области вдоль оси резонатора была равна примерно 1.5 мкм. В этом случае удалось получить мощность лазера до 30 Вт в непрерывном режиме возбуждения на длине волны 970 нм при мощности накачки излучением лазерных диодов 70 Вт. Угол расходимости излучения составил 3 дифракционных предела при длине волны генерации 980 нм.In this nanostructure, quantum wells are placed in the antinodes of the resonator mode, which provides about twice as much optical gain in the direction of the optical axis of the resonator as in the transverse direction. The transverse size of the excitation region varied from 500 to 900 μm, and the length of the active region along the cavity axis was approximately 1.5 μm. In this case, it was possible to obtain a laser power of up to 30 W in a continuous excitation mode at a wavelength of 970 nm with a pump power of 70 W from laser diodes. The radiation divergence angle was 3 diffraction limits at a generation wavelength of 980 nm.
Недостатком устройства является то, что дальнейшее увеличение мощности лазера путем увеличения поперечных размеров невозможно не только в непрерывном режиме накачки, но и в импульсном из-за сброса инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся поперек оси резонатора. Хотя в данном устройстве эффект сброса инверсии ослаблен по сравнению с выше описанными аналогами за счет различия коэффициента оптического усиления вдоль и поперек оси резонатора, но все же он остается определяющим фактором ограничения размера возбужденной области наноструктуры одним миллиметром.The disadvantage of this device is that a further increase in the laser power by increasing the transverse dimensions is impossible not only in the continuous pump mode, but also in the pulsed mode due to the reset of the inversion by amplified spontaneous noise propagating across the axis of the resonator. Although the inversion relief effect is weakened in this device compared to the analogues described above due to the difference in the optical gain along and across the axis of the resonator, it nevertheless remains the determining factor in limiting the size of the excited region of the nanostructure to one millimeter.
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение мощности полупроводникового лазера за счет увеличения поперечных размеров области возбуждения.The problem solved by the invention is to increase the power of a semiconductor laser by increasing the transverse dimensions of the excitation region.
Поставленная задача решается в полупроводниковом лазере, содержащем гетероструктуру в виде тонкой плоскопараллельной пластины, два зеркала, образующие оптический резонатор с оптической осью, расположенные по обе стороны гетероструктуры, и средство накачки, с помощью которого в гетероструктуре возбуждается объем, имеющий значительно меньший размер вдоль оси резонатора, чем поперек, причем оптический резонатор содержит по меньшей мере один дополнительный поглощающий слой, расположенный перпендикулярно оптической оси в узле моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра оптического усиления гетероструктуры.The problem is solved in a semiconductor laser containing a heterostructure in the form of a thin plane-parallel plate, two mirrors forming an optical resonator with an optical axis, located on both sides of the heterostructure, and a pump means by which a volume having a much smaller size along the resonator axis is excited in the heterostructure than across, and the optical resonator contains at least one additional absorbing layer located perpendicular to the optical axis in the node Ator whose wavelength is in the range of the maximum optical gain of the heterostructure.
Сущность изобретения заключается в том, чтобы в лазере создать высокий коэффициент оптического усиления лишь для основной поперечной моды резонатора и избежать усиления спонтанного излучения, распространяющегося в других направлениях. Если внутри резонатора дополнительный поглощающий слой размещен в узле стоячей электромагнитной волны моды резонатора, то электромагнитное поле слабо поглощается в этом слое. Однако для любой бегущей электромагнитной волны это поглощение существенно (в 10-1000 раз) увеличивается. При использовании достаточного числа дополнительных поглощающих слоев с достаточно высоким коэффициентом поглощения на длине волны спонтанного излучения гетероструктуры можно полностью подавить паразитное усиление спонтанного шума, которое сбрасывает инверсию и ухудшает характеристики лазера. При полном подавлении этого усиления поперечные размера возбужденной области могут быть сколь угодно большими, по меньшей мере, при импульсном режиме накачки, что позволяет существенно увеличить мощность излучения лазера. При неполном подавлении достигается частичное улучшение характеристик лазера, описанного выше.The essence of the invention lies in the fact that in the laser to create a high coefficient of optical gain only for the main transverse mode of the resonator and to avoid amplification of spontaneous radiation propagating in other directions. If an additional absorbing layer is placed inside the cavity in the node of a standing electromagnetic wave of the resonator mode, then the electromagnetic field is weakly absorbed in this layer. However, for any traveling electromagnetic wave, this absorption significantly (10-1000 times) increases. By using a sufficient number of additional absorbing layers with a sufficiently high absorption coefficient at the spontaneous emission wavelength of the heterostructure, the spurious amplification of spontaneous noise can be completely suppressed, which discards the inversion and degrades the laser characteristics. When this gain is completely suppressed, the transverse dimensions of the excited region can be arbitrarily large, at least in the pulsed pump mode, which can significantly increase the laser radiation power. With incomplete suppression, a partial improvement in the characteristics of the laser described above is achieved.
По меньшей мере, один дополнительный поглощающий слой может быть размещен между гетероструктурой и одним из зеркал резонатора. В этом случае этот слой будет ограничивать усиление спонтанного излучения вне основной моды резонатора, которое выходит из гетероструктуры и возвращается в нее после отражения от внешнего зеркала. Однако большая часть спонтанного излучения будет распространяться внутри гетероструктуры.At least one additional absorbing layer can be placed between the heterostructure and one of the resonator mirrors. In this case, this layer will limit the amplification of spontaneous emission outside the main resonator mode, which leaves the heterostructure and returns to it after reflection from an external mirror. However, most of the spontaneous emission will propagate inside the heterostructure.
Для подавления усиления спонтанного излучения, распространяющегося вдоль гетероструктуры, имеющей относительно малую толщину (0.1-1 мкм), дополнительные поглощающие слои наносят, по меньшей мере, на одну из поверхностей гетероструктуры. В этом случае электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль структуры, будет выталкиваться в дополнительный поглощающий слой и при достаточно высоком коэффициенте поглощения не будет усиливаться за счет оптического усиления активными слоями.To suppress the amplification of spontaneous radiation propagating along a heterostructure having a relatively small thickness (0.1-1 μm), additional absorbing layers are deposited on at least one of the surfaces of the heterostructure. In this case, the electromagnetic wave propagating along the structure will be pushed into the additional absorbing layer and, at a sufficiently high absorption coefficient, will not be amplified due to optical amplification by the active layers.
В наиболее простом варианте исполнения гетероструктура содержит активные слои, разделенные барьерными слоями и ориентированные перпендикулярно оси резонатора.In the simplest embodiment, the heterostructure contains active layers separated by barrier layers and oriented perpendicular to the axis of the resonator.
В случае более толстой гетероструктуры (1-20 мкм) активные и барьерные слои гетероструктуры образуют волновод. Волноводная электромагнитная волна спонтанного излучения будет слабо поглощаться дополнительными поглощающими слоями, нанесенными на поверхность гетероструктуры. В этом случае для подавления усиления спонтанного шума дополнительные поглощающие слои вводят непосредственно в гетероструктуру при ее выращивании.In the case of a thicker heterostructure (1–20 μm), the active and barrier layers of the heterostructure form a waveguide. The waveguide electromagnetic wave of spontaneous emission will be weakly absorbed by additional absorbing layers deposited on the surface of the heterostructure. In this case, to suppress the amplification of spontaneous noise, additional absorbing layers are introduced directly into the heterostructure during its growth.
Активные слои гетероструктуры могут представлять собой однородные слои с шириной запрещенной зоны меньшей, чем ширина запрещенной зоны барьерных слоев. В этом случае зонная диаграмма гетероструктуры такова, что либо в зоне проводимости, либо в валентной зоне, либо в обеих зонах образуются энергетические ямы для неравновесных электронов и дырок соответственно. Для уменьшения порога генерации лазера активные слои делают достаточно тонкими (0.1-10 нм), в этом случае энергия электронов и дырок в энергетических ямах квантуется, и активные слои являются квантовыми ямами.The active layers of the heterostructure can be homogeneous layers with a band gap less than the band gap of the barrier layers. In this case, the band diagram of the heterostructure is such that, in the conduction band, or in the valence band, or in both bands, energy wells are formed for nonequilibrium electrons and holes, respectively. To reduce the laser generation threshold, the active layers are made thin enough (0.1–10 nm), in this case, the energy of electrons and holes in the energy wells is quantized, and the active layers are quantum wells.
Для эффективного ограничения электронов и дырок в квантовых ямах (КЯ) при комнатной температуре (kT=25 мэВ) целесообразно, чтобы глубина КЯ была больше 25 мэВ. При меньшей энергии даже в случае широкой КЯ неравновесные носители будут подвергаться тепловому выбросу из КЯ. Лучшие результаты по ограничению носителей в КЯ достигаются при различии в ширине запрещенных зон КЯ и барьерного слоя, большем 300 мэВ.To effectively limit electrons and holes in quantum wells (QWs) at room temperature (kT = 25 meV), it is advisable that the QW depth be greater than 25 meV. At lower energy, even in the case of a wide QW, nonequilibrium carriers will be subjected to thermal emission from the QW. The best results on carrier confinement in the QW are achieved with a difference in the band gap of the QW and the barrier layer greater than 300 meV.
Активный слой может иметь даже большую ширину запрещенной зоны, чем барьерный слой в гетероструктурах с разрывами зон второго типа. В этом случае активный слой является КЯ только для одного из неравновесных носителей заряда: электрона или дырки. Другой носитель будет притягиваться к гетерогранице с КЯ, находясь в барьерном слое. И в этом случае оптическое усиление возможно, хотя коэффициент усиления меньше.The active layer can even have a wider band gap than the barrier layer in heterostructures with gaps of the second type. In this case, the active layer is a QW for only one of the nonequilibrium charge carriers: an electron or a hole. Another carrier will be attracted to the heteroboundary with the QW, being in the barrier layer. And in this case, optical gain is possible, although the gain is lower.
Активные слои гетероструктуры могут также представлять собой слоевой набор квантовых линий, когда ограничение движению носителей происходит в двух направлениях. Для достижения эффективного ограничения носителей в квантовых линиях при комнатной температуре глубина энергетических ям должна быть больше 25 мэВ.The active layers of the heterostructure can also be a layered set of quantum lines, when the restriction of the motion of carriers occurs in two directions. To achieve effective carrier confinement in quantum lines at room temperature, the depth of the energy wells should be greater than 25 meV.
В другом варианте исполнения активный слой гетероструктуры представляет собой слоевую матрицу квантовых точек, когда ограничение движению носителей происходит по трем координатам. Глубина энергетических ям должна быть больше 25 мэВ для квантовых точек большого размера. С уменьшением размера квантовых точек глубину энергетических ям следует увеличивать. Возможен также вариант, когда активный слой представляет собой слоевой набор квантовых дисков, когда основное квантование энергии носителей происходит из-за ограничения движения по одной координате вдоль оптической оси, как у квантовых ям, но в отличие от КЯ суммарная площадь дисков значительно меньше площади слоя, на котором они размещены. В этом случае происходит дополнительное электронное ограничение, которое уменьшает порог генерации лазера, но ширина линии излучения квантовых дисков остается равной ширине линии излучения КЯ, то есть не наблюдается неоднородное уширение линии за счет разброса размеров квантовых точек, которое имеет место для большинства материалов, использующихся для их образования.In another embodiment, the active layer of the heterostructure is a layered matrix of quantum dots, when the movement of carriers occurs in three coordinates. The depth of the energy wells should be greater than 25 meV for large quantum dots. With a decrease in the size of quantum dots, the depth of energy wells should be increased. It is also possible that the active layer is a layered set of quantum disks, when the main quantization of carrier energy occurs due to the restriction of motion along one coordinate along the optical axis, as in quantum wells, but unlike the QW, the total disk area is much smaller than the layer’s area, on which they are placed. In this case, an additional electronic limitation occurs, which reduces the laser generation threshold, but the width of the emission line of quantum disks remains equal to the width of the QW emission line, i.e., the inhomogeneous line broadening due to the spread of quantum dot sizes, which occurs for most materials used for their education.
Активные слои помещены в пучности моды резонатора, длина волны которой находится в максимуме спектра усиления. Тонкая подстройка моды резонатора на максимум спектра усиления осуществляется путем изменения длины резонатора и/или величиной сдвига фазы электромагнитной волны при отражении от одного из зеркал резонатора. В общем виде положение активного слоя характеризуется расстоянием s от одного из зеркал, которое является одним из решений уравненияThe active layers are placed in the antinodes of the resonator mode, the wavelength of which is at the maximum of the gain spectrum. Fine tuning of the resonator mode to the maximum of the gain spectrum is carried out by changing the cavity length and / or the magnitude of the phase shift of the electromagnetic wave upon reflection from one of the resonator mirrors. In general, the position of the active layer is characterized by the distance s from one of the mirrors, which is one of the solutions of the equation
где N(z) - показатель преломления среды, заполняющей резонатор, в зависимости от координаты z, отсчитываемой вдоль оси резонатора от положения выбранного зеркала, φ - сдвиг фазы электромагнитной волны при отражении от этого зеркала, λ - длина волны генерации лазера. Тогда положение дополнительных поглощающих слоев будет характеризоваться расстоянием s1 от этого же зеркала, которое является одним из решений уравненияwhere N (z) is the refractive index of the medium filling the resonator, depending on the z coordinate counted along the axis of the resonator from the position of the selected mirror, φ is the phase shift of the electromagnetic wave reflected from this mirror, λ is the laser generation wavelength. Then the position of the additional absorbing layers will be characterized by the distance s 1 from the same mirror, which is one of the solutions of the equation
Предпочтительно, чтобы активные слои имели толщину 0.3-10 нм. Ограничение снизу определяется типичным расстоянием между кристаллическими плоскостями используемых материалов или толщиной одного молекулярного слоя. Если толщина активных слоев будет больше 10 нм, то различие между уровнями квантования будет мало, что приведет к увеличению порога генерации лазера.Preferably, the active layers have a thickness of 0.3-10 nm. The lower limit is determined by the typical distance between the crystalline planes of the materials used or the thickness of one molecular layer. If the thickness of the active layers is greater than 10 nm, the difference between the quantization levels will be small, which will lead to an increase in the laser generation threshold.
Предпочтительно, чтобы дополнительные поглощающие слои имели также толщину 0.3-10 нм. Ограничение снизу определяется толщиной одного молекулярного слоя, как в случае активных слоев. Если толщина дополнительных поглощающих слоев будет больше 10 нм, это приведет к заметному увеличению общих потерь в лазере и росту порога генерации.Preferably, the additional absorbent layers also have a thickness of 0.3-10 nm. The lower limit is determined by the thickness of one molecular layer, as in the case of active layers. If the thickness of the additional absorbing layers is more than 10 nm, this will lead to a noticeable increase in the total losses in the laser and an increase in the generation threshold.
Для упрощения изготовления гетероструктуры ее делают периодической с периодом, кратным λ/2N, где λ - длина волны генерируемого излучения, а N - средний показатель преломления по периоду структуры. Изменение периода осуществляют изменением толщины барьерных слоев. Поскольку генерируемые накачкой неравновесные носители заряда скапливаются в основном в активных слоях, то чем больше период структуры, тем больше концентрация неравновесных носителей в этих слоях при эффективном транспорте носителей. Это приводит к уменьшению порога генерации. Однако эффективный транспорт достигается, когда толщина барьерных слоев гетероструктуры меньше удвоенной длины диффузии неравновесных носителей в этих слоях. Если период структуры будет больше удвоенной длины диффузии носителей, то они будут рекомбинировать прежде, чем смогут достигнуть активных слоев, что приведет к уменьшению эффективности лазера.To simplify the fabrication of a heterostructure, it is made periodic with a period multiple of λ / 2N, where λ is the wavelength of the generated radiation and N is the average refractive index over the period of the structure. The change in period is carried out by changing the thickness of the barrier layers. Since nonequilibrium charge carriers generated by pumping accumulate mainly in active layers, the longer the period of the structure, the higher the concentration of nonequilibrium carriers in these layers during efficient carrier transport. This leads to a decrease in the generation threshold. However, efficient transport is achieved when the thickness of the barrier layers of the heterostructure is less than twice the diffusion length of nonequilibrium carriers in these layers. If the period of the structure is longer than the doubled diffusion length of the carriers, they will recombine before they can reach the active layers, which will lead to a decrease in the laser efficiency.
Требуемые высокий транспорт и высокая эффективность излучения гетероструктуры достигаются лишь при малой концентрации дефектов. Для уменьшения концентрации дефектов необходимо, чтобы активные, барьерные и дополнительные поглощающие слои гетероструктуры имели одинаковый период кристаллической решетки в плоскости слоев. Если это условие не выполняется, то в гетероструктуре появляются структурные дефекты несоответствия кристаллических решеток слоев, которые существенно ухудшают характеристики лазера.The required high transport and high radiation efficiency of the heterostructure are achieved only at a low concentration of defects. To reduce the concentration of defects, it is necessary that the active, barrier, and additional absorbing layers of the heterostructure have the same period of the crystal lattice in the plane of the layers. If this condition is not satisfied, then structural defects of the mismatch of the crystal lattices of the layers appear in the heterostructure, which significantly degrade the characteristics of the laser.
Одинаковый период кристаллической решетки всех слоев в гетероструктуре может достигаться в случае, если материалы, используемые для получения гетероструктуры, имеют одинаковый период решетки в свободном состоянии. Однако это условие сильно сужает круг материалов, которые могут быть использованы, и соответственно сужается спектральный диапазон излучения лазеров на их основе. Для увеличения спектрального диапазона необходимо использовать большее разнообразие материалов с различающимися периодами кристаллических решеток. Если делать слои из таких материалов достаточно тонкими, то они будут унаследовать кристаллическую решетку предыдущих слоев без образования дефектов. В этом случае эти слои будут упруго напряженными. Если толщина слоя превысит критическую толщину образования дислокации несоответствия, то упругие напряжения в слое будут релаксировать с образованием дефектов. Для того, чтобы напряжения не накапливались по мере выращивания гетероструктуры, целесообразно выбирать материалы и толщины слоев таким образом, чтобы скомпенсировать упругие напряжения. В периодических гетероструктурах желательно это делать в пределах одного периода.The same period of the crystal lattice of all layers in the heterostructure can be achieved if the materials used to obtain the heterostructure have the same lattice period in the free state. However, this condition greatly narrows the range of materials that can be used, and, accordingly, the spectral range of laser radiation based on them is narrowed. To increase the spectral range, it is necessary to use a wider variety of materials with different periods of crystal lattices. If layers of such materials are made sufficiently thin, they will inherit the crystal lattice of the previous layers without the formation of defects. In this case, these layers will be elastically stressed. If the layer thickness exceeds the critical thickness of the formation of the misfit dislocation, then the elastic stresses in the layer will relax with the formation of defects. In order for the stresses not to accumulate as the heterostructure grows, it is advisable to choose the materials and layer thicknesses in such a way as to compensate for the elastic stresses. In periodic heterostructures, it is desirable to do this within the same period.
Наиболее высокие характеристики лазера будут достигаться при условии, что число N и коэффициенты поглощения αi дополнительных поглощающих слоев выбираются из условияThe highest laser characteristics will be achieved provided that the number N and the absorption coefficients α i of the additional absorbing layers are selected from the condition
где hi - толщина i-ого слоя, Los - потери резонатора за один обход. Если 
то усиление спонтанного шума не будет подавлено полностью. Действительно, пороговое усиление всех активных слоев за один обход резонатора равно потерям. Поэтому сравнение с потерями равнозначно сравнению с суммарным усилением активных слоев. Еслиthen amplification of spontaneous noise will not be completely suppressed. Indeed, the threshold gain of all active layers in one round-trip of the resonator is equal to losses. Therefore, a comparison with losses is equivalent to a comparison with the total gain of active layers. If
то потери на поглощение в дополнительных поглощающих слоях для моды резонатора будут сравнимы с потерями без этих слоев, что будет увеличивать порог генерации.then the absorption losses in the additional absorbing layers for the cavity mode will be comparable with the losses without these layers, which will increase the generation threshold.
В периодической гетероструктуре число дополнительных поглощающих слоев примерно равно числу активных слоев. Эти слои разделены толстыми барьерными слоями, имеющими большую ширину запрещенной зоны. Поэтому примерно половина неравновесных носителей заряда будет скапливаться в дополнительных поглощающих слоях. Это приводит к увеличению порога генерации. Для уменьшения порога генерации вводят дополнительные барьерные слои, имеющие ширину запрещенной зоны больше ширины запрещенной зоны барьерных слоев, по меньшей мере, на 25 мэВ и расположенные между барьерными слоями и дополнительными поглощающими слоями. Введение этих слоев препятствует транспорту неравновесных носителей из широких барьерных слоев в дополнительные поглощающие слои за счет образования энергетических барьеров, по меньшей мере, для одного из носителей заряда. Для эффективного ограничения этого транспорта при комнатной температуре высота барьера должна быть выше 25 мэВ.In a periodic heterostructure, the number of additional absorbing layers is approximately equal to the number of active layers. These layers are separated by thick barrier layers having a large band gap. Therefore, approximately half of nonequilibrium charge carriers will accumulate in additional absorbing layers. This leads to an increase in the generation threshold. To reduce the generation threshold, additional barrier layers are introduced having a band gap greater than the band gap of the barrier layers by at least 25 meV and located between the barrier layers and additional absorbing layers. The introduction of these layers prevents the transport of nonequilibrium carriers from wide barrier layers to additional absorbing layers due to the formation of energy barriers for at least one of the charge carriers. To effectively limit this transport at room temperature, the barrier height should be higher than 25 meV.
Дополнительные барьерные слои имеют толщину 1-10 нм. Если их толщина будет меньше 1 нм, то носители будут эффективно туннелировать через них. Если толщина этих слоев будет больше 10 нм, то она становится сравнимой с толщиной барьерных слоев. В этом случае уже заметная часть носителей генерируется в дополнительных барьерных слоях, причем половина из них сваливается в дополнительные поглощающие слои, что снова приведет к увеличению порога генерации.Additional barrier layers have a thickness of 1-10 nm. If their thickness is less than 1 nm, then the carriers will effectively tunnel through them. If the thickness of these layers is more than 10 nm, then it becomes comparable with the thickness of the barrier layers. In this case, a noticeable part of the carriers is generated in additional barrier layers, with half of them dumping into additional absorbing layers, which again leads to an increase in the generation threshold.
Чтобы гетероструктура имела малую концентрацию дефектов, ухудшающих характеристики лазеров, все слои гетероструктуры, включая дополнительные барьерные слои, должны иметь одинаковый период кристаллической структуры в плоскости слоев.In order for the heterostructure to have a low concentration of defects that degrade the characteristics of the lasers, all layers of the heterostructure, including additional barrier layers, must have the same period of the crystal structure in the plane of the layers.
Для выполнения данного условия можно использовать материалы с различающимися периодами кристаллических решеток, если делать слои из таких материалов достаточно тонкими. В этом случае эти слои будут упруго напряженными. Для того чтобы напряжения не накапливались по мере выращивания гетероструктуры, целесообразно выбирать материалы и толщины слоев таким образом, чтобы скомпенсировать упругие напряжения. В периодических гетероструктурах желательно это делать в пределах одного периода.To fulfill this condition, one can use materials with different periods of crystal lattices, if layers of such materials are made sufficiently thin. In this case, these layers will be elastically stressed. In order for the stresses not to accumulate as the heterostructure grows, it is advisable to choose the materials and layer thicknesses in such a way as to compensate for the elastic stresses. In periodic heterostructures, it is desirable to do this within the same period.
Область возбуждения гетероструктуры имеет размер вдоль оси резонатора в диапазоне 0.05-10 мкм. Размер в 0.05 мкм соответствует примерно четверти длины волны генерации внутри гетероструктуре. При толщине, меньшей 0.05 мкм, в гетероструктуре не могут быть размещены одновременно активный слой в пучности стоячей волны резонатора и дополнительный поглощающий слой. Если же эти слои размещать на расстоянии меньшем 0.05 мкм, то характеристики лазера ухудшаются. При выращивании периодической гетероструктуры толщиной 10 мкм с активными слоями, размещенными строго в пучностях моды резонатора, период гетероструктуры должен быть выдержан с точностью 0.05 мкм, то есть 0.5%. Это является пределом возможностей современной технологии эпитаксиального роста. Поэтому если толщину гетероструктуры делать больше 10 мкм, то не все активные слои и дополнительные поглощающие слои будут размещены соответственно в пучностях и узлах моды резонатора, на которой происходит генерация, что ухудшает характеристики лазера.The excitation region of the heterostructure has a size along the cavity axis in the range of 0.05–10 μm. A size of 0.05 μm corresponds to about a quarter of the generation wavelength inside the heterostructure. At a thickness less than 0.05 μm, the active layer in the antinode of the standing cavity of the resonator and the additional absorbing layer cannot be simultaneously placed in the heterostructure. If these layers are placed at a distance less than 0.05 μm, then the laser characteristics deteriorate. When growing a periodic heterostructure with a thickness of 10 μm with active layers placed strictly in the antinodes of the resonator mode, the period of the heterostructure must be maintained with an accuracy of 0.05 μm, i.e., 0.5%. This is the limit of modern epitaxial growth technology. Therefore, if the thickness of the heterostructure is made greater than 10 μm, then not all active layers and additional absorbing layers will be placed respectively in the antinodes and nodes of the resonator mode on which the generation occurs, which degrades the laser characteristics.
Размер области возбуждения гетероструктуры, по меньшей мере, в одном направлении превышает размер вдоль оси резонатора более чем в 100 раз. При размере области возбуждения вдоль оси резонатора 10 мкм поперечный размер составит 1 мм. Это лишь не намного больше, чем в известном техническом решении. Поэтому если размеры вдоль и поперек оси резонатора соотносятся меньше, чем в 100 раз, то заявляемое техническое решение не имеет преимущества перед известными решениями.The size of the excitation region of the heterostructure in at least one direction exceeds the size along the cavity axis by more than 100 times. With the size of the excitation region along the cavity axis of 10 μm, the transverse dimension is 1 mm. This is only not much more than in the well-known technical solution. Therefore, if the dimensions along and across the axis of the resonator are less than 100 times correlated, the claimed technical solution has no advantage over the known solutions.
По меньшей мере, одно из зеркал предлагаемого устройства выполнено в виде зеркального покрытия, нанесенного на одну из поверхностей гетероструктуры. В рассматриваемом лазере с малой суммарной длиной усиления вдоль оси резонатора необходимо использовать высокоотражающие зеркала с коэффициентом отражения выше 90%. Чем меньше используется активных слоев, тем выше коэффициент отражения должен быть. Такие зеркала могут быть выполнены из диэлектрических или полупроводниковых слоев, не поглощающих или слабо поглощающих генерируемое излучение. Целесообразно использовать интерференционные покрытия из чередующихся четвертьволновых слоев с малым и большим показателем преломления. Могут быть использованы, например, такие пары окислов, как SiO2-TiO2, SiO2-ZrO2, SiO2-HfO2, SiO2-Ta2O5, Al2O3-Ta2O5 и другие. Для увеличения отражения зеркала при относительно небольшой его толщине можно использовать комбинированное металлодиэлектрическое зеркало. В этом случае сначала наносится диэлектрическое покрытие, а поверх него - тонкий (50-1000 нм) слой металла, например Al, Ag, Au и других элементов. При конструировании зеркала необходимо учитывать его фазовые характеристики.At least one of the mirrors of the proposed device is made in the form of a mirror coating deposited on one of the surfaces of the heterostructure. In the laser under consideration with a small total gain length along the cavity axis, it is necessary to use highly reflective mirrors with a reflection coefficient above 90%. The less active layers are used, the higher the reflection coefficient should be. Such mirrors can be made of dielectric or semiconductor layers that do not absorb or weakly absorb the generated radiation. It is advisable to use interference coatings of alternating quarter-wave layers with a small and high refractive index. For example, pairs of oxides such as SiO 2 —TiO 2 , SiO 2 —ZrO 2 , SiO 2 —HfO 2 , SiO 2 —Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 —Ta 2 O 5, and others can be used. To increase the reflection of the mirror with a relatively small thickness, a combined metal-dielectric mirror can be used. In this case, a dielectric coating is first applied, and on top of it is a thin (50-1000 nm) layer of metal, such as Al, Ag, Au and other elements. When designing a mirror, it is necessary to take into account its phase characteristics.
Гетероструктура может изготавливаться таким образом, что первый активный слой находится на расстоянии λ/2N от поверхности, на которую наносится зеркальное покрытие, рассчитанное на длину волны λ. Тогда первый слой зеркального покрытия имеет меньший показатель преломления. В этом случае сдвиг фазы равен нулю, и первый активный слой находится в пучности генерируемой моды.The heterostructure can be made in such a way that the first active layer is at a distance of λ / 2N from the surface on which the mirror coating is calculated, calculated for the wavelength λ. Then the first layer of the mirror coating has a lower refractive index. In this case, the phase shift is zero, and the first active layer is at the antinode of the generated mode.
Активные и барьерные слои гетероструктуры выполнены, по меньшей мере, из двух полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. Выбор полупроводниковых материалов определяется, прежде всего, тем, какая требуется длина волны генерации. Для ультрафиолетовой области спектра могут быть использованы соединения на основе ZnS (группа А2В6): ZnSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnCdS, ZnCdSSe с кристаллической решеткой, почти согласованной с кристаллической решеткой подложки GaP, а также соединения на основе GaN (группа А3В5): GaInN, AlGaN, AlGaInN на подложках Аl2O3, GaN, AlN, Si и других. Для видимой области предпочтительны соединения на основе ZnSe (группа А2 В6): ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnCdMgSe на подложках GaAs, InP, ZnSe, CdS, а также соединения GaInP, AlGaInP (группа А3В5) на подложках GaAs. Для инфракрасной области спектра используются в основном полупроводниковые соединения А3В5: AlGaAs, AlInGaAs, GaInSbAs и другие.The active and barrier layers of the heterostructure are made of at least two semiconductor materials of group A2B6 or group A3B5. The choice of semiconductor materials is determined, first of all, by what generation wavelength is required. For the ultraviolet region of the spectrum, ZnS-based compounds (A2B6 group) can be used: ZnSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnCdS, ZnCdSSe with a crystal lattice almost matched to the crystal lattice of the GaP substrate, as well as GaN-based compounds (A3B5 group): GaInN, AlGaN, AlGaInN on substrates Al 2 O 3 , GaN, AlN, Si and others. For the visible region, compounds based on ZnSe (group A2 B6) are preferable: ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnCdMgSe on GaAs, InP, ZnSe, CdS substrates, as well as GaInP, AlGaInP compounds (group A3B5) on GaAs. For the infrared region of the spectrum, mainly A3B5 semiconductor compounds are used: AlGaAs, AlInGaAs, GaInSbAs and others.
Дополнительные барьерные слои выполнены из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. С точки зрения технологии выращивания барьерные, дополнительные барьерные и активные слои целесообразно выполнять из однотипных материалов, различающихся в основном составом используемого раствора. Например, для синей области спектра все перечисленные слои могут быть выполнены из соединения Zn1-xMgxSySe1-y, причем в активных слоях х=у=0, а в дополнительных барьерных слоях концентрация х и у больше, чем в барьерных слоях. При этом все слои будут слабо рассогласованы по периоду кристаллической решетки с подложкой GaAs.Additional barrier layers are made of semiconductor materials of group A2B6 or group A3B5. From the point of view of growing technology, it is advisable to perform barrier, additional barrier and active layers from materials of the same type, which differ mainly in the composition of the solution used. For example, for the blue region of the spectrum, all of these layers can be made of the compound Zn 1-x Mg x S y Se 1-y , and in the active layers x = y = 0, and in the additional barrier layers, the concentration of x and y is greater than in barrier layers. In this case, all layers will be weakly mismatched along the period of the crystal lattice with the GaAs substrate.
Дополнительные поглощающие слои внутри гетероструктуры также легче выполнять из материалов группы А2В6 или группы А3В5. Однако в отличие от активных, барьерных и дополнительных барьерных слоев они должны характеризоваться малым временем жизни неравновесных носителей. В противном случае в них может образовываться высокая концентрация неравновесных носителей, что приведет к насыщению поглощения. Для достижения малого времени жизни неравновесных носителей в дополнительных поглощающих слоях в одном из вариантов эти слои легируют примесями, которые образуют эффективные каналы безызлучательной рекомбинации. Такими примесями могут быть, например, атомы Cr, Fe, Ni и другие. Безызлучательные каналы рекомбинации могут также быть образованы за счет собственных точечных дефектов нестехиометрии.Additional absorbing layers inside the heterostructure are also easier to perform from materials of group A2B6 or group A3B5. However, in contrast to active, barrier, and additional barrier layers, they must be characterized by a short lifetime of nonequilibrium carriers. Otherwise, a high concentration of nonequilibrium carriers can form in them, which will lead to saturation of the absorption. To achieve a short lifetime of nonequilibrium carriers in additional absorbing layers in one of the variants, these layers are doped with impurities that form effective channels of nonradiative recombination. Such impurities can be, for example, atoms of Cr, Fe, Ni and others. Nonradiative recombination channels can also be formed due to intrinsic point defects of non-stoichiometry.
Можно, наоборот, дополнительные поглощающие слои делать бездефектными с высоким выходом излучательной рекомбинации. Кроме того, все дополнительные поглощающие слои должны иметь одинаковый состав и толщину. В этом случае уменьшение времени жизни неравновесных носителей будет достигаться за счет создание инверсии в этих слоях и оптического усиления на длине волны λ1, меньшей длины волны генерации лазера λ. Это приведет к эффективному опустошению дополнительных поглощающих слоев за счет индуцированных переходов и усиленного спонтанного шума на длине волны λ1.Conversely, additional absorbing layers can be made defect-free with a high yield of radiative recombination. In addition, all additional absorbent layers must have the same composition and thickness. In this case, a decrease in the lifetime of nonequilibrium carriers will be achieved by creating inversion in these layers and optical amplification at a wavelength λ 1 shorter than the laser generation wavelength λ. This will lead to the effective emptying of additional absorbing layers due to induced transitions and amplified spontaneous noise at a wavelength of λ 1 .
Когда дополнительный поглощающий слой наносится на поверхность гетероструктуры или на дополнительный элемент внутри резонатора, этот слой может быть выполнен из Si, Ge или металла, например Al, Ag, Au, Cu и других элементов.When an additional absorbing layer is deposited on the surface of the heterostructure or on an additional element inside the resonator, this layer can be made of Si, Ge or metal, for example Al, Ag, Au, Cu and other elements.
Для упрощения изготовления гетероструктуры и резонатора, а также для улучшения теплоотвода от возбужденной области и увеличения срока службы лазера целесообразно, по меньшей мере, одно из зеркал резонатора делать в виде брэгговского отражателя из эпитаксиальных слоев, выполненных из полупроводниковых материалов группы А2В6 или группы А3В5. Для инфракрасной и красной областей спектра используют брэгговское зеркало из чередующихся четвертьволновых слоев AlAs и AlGaAs.To simplify the fabrication of the heterostructure and resonator, as well as to improve heat removal from the excited region and increase the laser life, it is advisable to make at least one of the cavity mirrors in the form of a Bragg reflector from epitaxial layers made of semiconductor materials of the A2B6 group or the A3B5 group. For the infrared and red regions of the spectrum, a Bragg mirror of alternating quarter-wave AlAs and AlGaAs layers is used.
В качестве средства накачки в одном из вариантов устройства используется электронный пучок. В этом случае лазер выполнен в виде отпаянной вакуумированной колбы, в одном конце которой размещена электронная пушка, формирующая электронный пучок, распространяющийся вдоль электронно-оптической оси колбы, в другом конце - два зеркала и гетероструктура между ними, одна из поверхностей которой пересекается электронно-оптической осью колбы. Оба зеркала могут быть выполнены в виде напыления на поверхности гетероструктуры, образуя тем самым микрорезонатор. В этом варианте энергия электронного пучка должна быть достаточно большой (больше 35 кэВ), чтобы потери энергии электронов в зеркале, через которое происходит накачка, были несущественны. Генерируемое излучение можно выводить как через бомбардируемое зеркало, так и через противоположное зеркальное покрытие.In one embodiment of the device, an electron beam is used as a pumping means. In this case, the laser is made in the form of a sealed evacuated bulb, at one end of which there is an electron gun forming an electron beam propagating along the electron-optical axis of the bulb, at the other end, two mirrors and a heterostructure between them, one of the surfaces of which intersects the electron-optical the axis of the flask. Both mirrors can be made in the form of sputtering on the surface of the heterostructure, thereby forming a microresonator. In this embodiment, the electron beam energy must be large enough (greater than 35 keV) so that the energy loss of the electrons in the mirror through which the pumping takes place is not significant. The generated radiation can be output both through the bombarded mirror and through the opposite mirror coating.
В другом варианте зеркало может быть внешним, и электронный пучок накачивает гетероструктуру непосредственно через ее поверхность, минуя внешнее зеркало. В этом варианте энергия электронов может быть снижена вплоть до 10 кэВ или даже ниже. Генерируемое излучение можно выводит как через внешнее зеркало, так и через зеркальное покрытие, нанесенное на противоположную поверхность гетероструктуры.In another embodiment, the mirror may be external, and the electron beam pumps the heterostructure directly through its surface, bypassing the external mirror. In this embodiment, the electron energy can be reduced up to 10 keV or even lower. The generated radiation can be removed both through an external mirror and through a mirror coating deposited on the opposite surface of the heterostructure.
Еще в одном варианте в качестве средства накачки используется другой лазер с энергией кванта излучения, слегка превышающей ширину запрещенной зоны барьерных слоев гетероструктуры. Устройство снабжено оптической системой, направляющий луч лазера на одну из поверхностей гетероструктуры для формирования области возбуждения. В качестве лазера накачки могут быть использованы, в частности, линейки лазерных диодов на основе соединений А3В5, излучающие в инфракрасной области, а также на основе нитридов III группы, излучающие в ближней ультрафиолетовой области спектра.In another embodiment, another laser with a quantum energy of radiation slightly exceeding the band gap of the heterostructure barrier layers is used as a pumping means. The device is equipped with an optical system that directs a laser beam onto one of the surfaces of the heterostructure to form an excitation region. As a pump laser, in particular, laser diode arrays based on A3B5 compounds emitting in the infrared region, as well as on the basis of group III nitrides emitting in the near ultraviolet region, can be used.
На фиг.1 представлен полупроводниковый лазер, являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству.Figure 1 presents the semiconductor laser, which is the closest technical solution to the claimed device.
На фиг.2а представлен активный элемент с микрорезонатором для полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком согласно известному решению, а на фиг.2б - согласно заявляемому техническому решению.On figa presents the active element with a microcavity for a semiconductor laser pumped by an electron beam according to the known solution, and figb - according to the claimed technical solution.
На фиг.3 представлена зависимость энергетического положения краев разрешенных зон наноструктуры в направлении оптической оси.Figure 3 shows the dependence of the energy position of the edges of the allowed zones of the nanostructure in the direction of the optical axis.
Известное устройство полупроводникового лазера, представленного схематично на фиг.1, содержит гетероструктуру 1, имеющую первую 2 и вторую 3 поверхности, два зеркала: высокоотражающее плоское 4 и полупрозрачное сферическое 5, образующие оптический резонатор с оптической осью 6, и средство радиационной накачки 7, с помощью которого в гетероструктуре возбуждается объем 8. Высокоотражающее плоское зеркало 4 расположено со стороны первой поверхности 2 гетероструктуры 1, а полупрозрачное сферическое зеркало 5 расположено со стороны второй поверхности 3 гетероструктуры 1. Гетероструктура 1 с зеркалом 4 закреплена на хладопроводящей непрозрачной подложке 9. Средство накачки 7 может быть линейкой лазерных диодов с длиной волны излучения меньшей, чем длина волны генерации полупроводникового лазера, или электронной пушкой.The known device of the semiconductor laser, shown schematically in figure 1, contains a
Полупроводниковый лазер работает следующим образом. Излучение 10 средства радиационной накачки направляется на вторую поверхность 3 гетероструктуры 1 и возбуждает объем 8. В объеме 8 возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях, и оптическое усиление этого спонтанного излучения, имеющее максимум в направлении оптической оси 6. Зеркала 4 и 5 частично возвращают спонтанное излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора, обратно в возбужденный объем 8, создавая положительную обратную связь. В результате генерируется излучение 11 на одной или нескольких основных поперечных модах оптического резонатора. Излучение 11 частично выходит через полупрозрачное зеркало 5. Если поперечные размеры области возбуждения 8 будут увеличиваться, то спонтанный шум, распространяющийся поперек оси резонатора, будет усиливаться и при некотором поперечном размере объема 8 будет настолько велик, что будет сбрасывать инверсию заселенности в гетероструктуре. Это приведет к уменьшению оптического усиления и к срыву генерации в оптическом резонаторе.A semiconductor laser operates as follows.
На фиг.2а представлен более детально активный элемент полупроводникового лазера в варианте с микрорезонатором согласно известному техническому решению. В отличие от варианта, представленного на фиг.1, оптический резонатор образован зеркальными покрытиями: высокоотражающим 12 и полупрозрачным 13, нанесенными непосредственно на обе поверхности гетероструктуры 1. Поскольку толщина гетероструктуры составляет единицы микрон, то резонатор на фиг.2а называем микрорезонатором, а резонатор на фиг.1 - резонатором с внешним зеркалом обратной связи. Гетероструктура 1 на фиг.2а содержит слои квантовых ям 14 и барьерные слои 15. Полупрозрачное покрытие 13 состоит из чередующихся четвертьволновых слоев 16 и 17 с меньшим и большим показателями преломления соответственно. Высокоотражающее зеркальное покрытие 12 также состоит из чередующихся четвертьволновых слоев 18 и 19 с меньшим и большим показателями преломления соответственно и тонкого слоя металла 20. Слои квантовых ям 14 размещены в пучностях моды 21 оптического резонатора. Гетероструктура 1 с зеркальными покрытиями 12 и 13 размещена на прозрачной подложке 22 с помощью скрепляющего слоя 23.On figa presents in more detail the active element of a semiconductor laser in the embodiment with a microcavity according to the known technical solution. In contrast to the variant shown in Fig. 1, the optical resonator is formed by mirror coatings: highly reflective 12 and translucent 13, deposited directly on both surfaces of the
На фиг.2б представлен активный элемент полупроводникового лазера согласно одному из вариантов заявляемого технического решения. В отличие от устройства на фиг.2а гетероструктура 24 содержит дополнительные поглощающие слои 25, размещенные в узлах моды резонатора.On figb presents the active element of a semiconductor laser according to one of the variants of the claimed technical solution. In contrast to the device of FIG. 2a, the
Устройства на фиг.2 работают следующим образом. Электронным пучок 26 падает на структуру со стороны высокоотражающего зеркального покрытия 12, проникает через него в гетероструктуру 1 или 24 и генерирует неравновесные электронно-дырочные пары в слоях квантовых ям 14, барьерных слоях 15 и дополнительных поглощающих слоях 25. Основная масса неравновесных носителей заряда генерируется в барьерных слоях 15, поскольку их толщина заметно больше толщины других слоев. Неравновесные носители за время жизни успевают достигнуть слоев квантовых ям 14 и дополнительных поглощающих слоев 25 и собраться в них. В одном из вариантов дополнительные поглощающие слои 25 сделаны из материала, в котором время жизни попавших туда носителей мало, и они там быстро безызлучательно рекомбинируют. Поэтому в таких дополнительных поглощающих слоях неравновесные носители не скапливаются, и поглощающие свойства этих слоев не зависят от уровня возбуждения. Неравновесные носители в квантовых ямах рекомбинируют излучательно и, кроме того, создают оптическое усиление.The devices in figure 2 work as follows. An
В варианте на фиг.2а без дополнительных поглощающих слоев спонтанное излучение квантовых ям, распространяющееся поперек оптической оси, усиливается и при достаточно больших поперечных размерах объема возбуждения становится достаточно большим, чтобы заставить вынуждено рекомбинировать неравновесные носители в квантовых ямах под действием усиленного спонтанного шума. В результате порог генерации основной моды резонатора не будет достигаться.In the embodiment of FIG. 2a, without additional absorbing layers, spontaneous emission of quantum wells propagating across the optical axis is amplified and becomes sufficiently large for transverse dimensions of the excitation volume to be forced to recombine nonequilibrium carriers in quantum wells under the influence of amplified spontaneous noise. As a result, the generation threshold of the fundamental cavity mode will not be reached.
В заявляемом варианте, представленном на фиг.2б, дополнительные поглощающие слои 25 поглощают спонтанное излучение, распространяющееся под углом к оптической оси 27 вне основной моды 21 резонатора. С другой стороны, поглощающие слои 25 не вносят дополнительных потерь в основную моду резонатора, поскольку находятся в ее узлах, где электромагнитное поле минимально. В результате спонтанный шум не нарастает с увеличением поперечных размеров объема возбуждения и не ухудшает характеристики лазера.In the claimed embodiment, presented in figb, additional absorbing
В другом варианте исполнения дополнительных поглощающих слоев накопившиеся в них неравновесные носители создает оптическое излучение на длине волны, меньшей длины волны излучения квантовых ям. В результате их собственного усиленного спонтанного излучения они вынужденно рекомбинируют, не накапливаясь в дополнительных поглощающих слоях, тем самым не теряется способность этих слоев поглощать спонтанный шум квантовых ям при высоких уровнях накачки.In another embodiment of the additional absorbing layers, nonequilibrium carriers accumulated in them produce optical radiation at a wavelength shorter than the quantum well emission wavelength. As a result of their own amplified spontaneous emission, they are forced to recombine without accumulating in additional absorbing layers, thereby not losing the ability of these layers to absorb spontaneous noise of quantum wells at high pump levels.
Однако часть неравновесных носителей, генерируемых электронным пучком, теряется из-за их транспорта к дополнительным поглощающим слоям при возбуждении гетероструктуры. Чтобы уменьшить эти потери, в другом варианте заявляемого технического решения вводятся дополнительные барьерные слои вокруг дополнительных поглощающих слоев. На фиг.3 показана зонная диаграмма гетероструктуры с дополнительными барьерными слоями 28. Эти слои препятствуют транспорту неравновесных носителей из барьерных слоев 15 в дополнительные поглощающие слои 25. В результате большая часть генерируемых неравновесных носителей попадает в слои с квантовыми ямами 14.However, part of the nonequilibrium carriers generated by the electron beam is lost due to their transport to additional absorbing layers upon excitation of the heterostructure. In order to reduce these losses, in another embodiment of the claimed technical solution, additional barrier layers are introduced around additional absorbing layers. Figure 3 shows the zone diagram of the heterostructure with additional barrier layers 28. These layers impede the transport of nonequilibrium carriers from the barrier layers 15 to additional absorbing layers 25. As a result, most of the generated nonequilibrium carriers fall into the layers with
Заявляемое техническое решение можно проиллюстировать следующими примерами.The claimed technical solution can be illustrated by the following examples.
Пример 1. Полупроводниковый лазер в отпаянной колбе содержит известного типа источник электронов с ускоряющим напряжением 50 кэВ и средство его модуляции, оптический резонатор с внешним полупрозрачным зеркалом обратной связи и вторым высокоотражающим брэгговским зеркалом, нанесенным на проводящую подложку GaAs, и новую гетероструктуру, размещенную между ними. Подложка GaAs размещена на хладопроводящей подложке из сплава Cu и W с коэффициентом температурного расширения (КТР), равным КТР GaAs. Полупрозрачное зеркало нанесено на полупроводниковую плоскую подложку из ZnSe, имеющую электрический контакт с подложкой GaAs, и состоит из пяти пар чередующихся четвертьволновых слоев SiO2 и Ta2O5 с первым слоем SiO2 на поверхности подложки ZnSe. Коэффициент отражения этого зеркала равен 95% на длине волны 640 нм. Вторая поверхность подложки ZnSe просветлена известным способом и имеет пропускание на длине волны 640 нм более 99%. Брэгговское зеркало состоит из 40.5 пар чередующихся четвертьволновых слоев AlAs и Al0.5Ga0.5As, оно рассчитано на длину волны 640 нм, начинается и заканчивается слоем AlAs. Коэффициент отражения этого зеркала больше 99.9% на длине волны 640 нм.Example 1. A semiconductor laser in a sealed-off flask contains a known type of electron source with an accelerating voltage of 50 keV and modulation means, an optical resonator with an external translucent feedback mirror and a second highly reflective Bragg mirror deposited on a GaAs conductive substrate, and a new heterostructure placed between them . The GaAs substrate is placed on a cold-conducting substrate made of an alloy of Cu and W with a coefficient of thermal expansion (CTE) equal to the CTE of GaAs. A semitransparent mirror is deposited on a semiconductor flat ZnSe substrate, which is in electrical contact with the GaAs substrate, and consists of five pairs of alternating quarter-wave layers of SiO 2 and Ta 2 O 5 with the first layer of SiO 2 on the surface of the ZnSe substrate. The reflection coefficient of this mirror is 95% at a wavelength of 640 nm. The second surface of the ZnSe substrate is clarified in a known manner and has a transmittance at a wavelength of 640 nm of more than 99%. The Bragg mirror consists of 40.5 pairs of alternating quarter-wave AlAs and Al 0.5 Ga 0.5 As layers; it is designed for a wavelength of 640 nm, begins and ends with an AlAs layer. The reflection coefficient of this mirror is more than 99.9% at a wavelength of 640 nm.
Новая гетероструктура имеет 17 активных слоев в виде квантовых ям Ga0.5ln0.5P с толщиной 8 нм и 16 дополнительных поглощающих слоев In0.5Ga0.5As с толщиной 6 нм, размещенных посередине между активными слоями. К каждому дополнительному поглощающему слою с обеих сторон примыкают дополнительные барьерные слои, выполненные из (Al09Ga0.1)0.5In0.5P толщиной 3 нм. Активные и дополнительные барьерные слои разделены барьерными слоями из (Al0.6Са0.4)0.5In0.5Р с толщиной 136 нм. Первый слой гетероструктуры со стороны брэгговского зеркала и последний слой со стороны внешнего полупрозрачного зеркала выполнены из (Al0.7Са0.3)0.5In0.5Р с толщиной 191 нм. Полная толщина структуры составляет примерно 5 мкм.The new heterostructure has 17 active layers in the form of Ga 0.5 ln 0.5 P quantum wells with a thickness of 8 nm and 16 additional absorbing In 0.5 Ga 0.5 As layers with a thickness of 6 nm, located in the middle between the active layers. Additional barrier layers made of (Al 09 Ga 0.1 ) 0.5 In 0.5
Активный элемент лазера, включающий ростовую подложку GaAs, брэгговское зеркало и гетероструктуру, выращивают в едином технологическом процессе известным методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.The active laser element, including a GaAs growth substrate, a Bragg mirror and a heterostructure, is grown in a single technological process by the known vapor-phase epitaxy method from organometallic compounds.
При возбуждении гетероструктуры электронным пучком диаметром 5 см с энергией электронов 50 кэВ, током 1.5 кА и длительностью 20 непиковая мощность лазера составляет 8 МВт на длине волны 640 нм при угле расходимости меньше 10-4 рад. Энергия в световом импульсе составляет 0.1 Дж. Эффективность преобразования энергии электронного пучка в красное излучение превышает 6.5%. При частоте повторения импульсов накачки 300 Гц средняя мощность составит 30 Вт.When a heterostructure is excited by an electron beam with a diameter of 5 cm and an electron energy of 50 keV, a current of 1.5 kA, and a duration of 20, the non-peak laser power is 8 MW at a wavelength of 640 nm with a divergence angle of less than 10 -4 rad. The energy in the light pulse is 0.1 J. The efficiency of converting the energy of the electron beam into red radiation exceeds 6.5%. At a pump pulse repetition rate of 300 Hz, the average power is 30 watts.
Пример 2. Лазерная электронно-лучевая трубка содержит в одном конце отпаянной колбы непрерывный источник электронов известного типа, включающий в себя совокупность ускоряющих и фокусирующих электродов, формирующих электронный пучок с энергией электронов 10 кэВ и током 200 мА, а в другом конце - плоскую лазерную мишень, расположенную под углом к электронно-оптической оси колбы. Устройство снабжено отклоняющей электромагнитной катушкой, расположенной вне колбы. Электромагнитная катушка сканирует электронный пучок по поверхности лазерной мишени. Мишень представляет собой хладопроводящую подложку, охлаждаемую водой, на которой закреплена гетероструктура нового типа. Гетероструктура закреплена с помощью металлического припоя поверхностью, на которую предварительно нанесено высокоотражающее покрытие из чередующихся четвертьволновых слоев окислов типа SiO2 с меньшим коэффициентом преломления и окислов типа Ta2O5 с большим показателем преломления. Коэффициент отражения этого покрытия превышает значение 99.9%.Example 2. A laser cathode ray tube contains at one end of a sealed flask a continuous source of electrons of a known type, including a combination of accelerating and focusing electrodes forming an electron beam with an electron energy of 10 keV and a current of 200 mA, and at the other end, a flat laser target located at an angle to the electron-optical axis of the bulb. The device is equipped with a deflecting electromagnetic coil located outside the bulb. An electromagnetic coil scans an electron beam across the surface of a laser target. The target is a cold-conducting substrate, cooled by water, on which a new type of heterostructure is fixed. The heterostructure is fixed with a metal solder to a surface on which a highly reflective coating of alternating quarter-wave layers of SiO 2 type oxides with a lower refractive index and Ta 2 O 5 type oxides with a high refractive index is preliminarily applied. The reflection coefficient of this coating exceeds 99.9%.
Гетероструктура содержит 4 КЯ толщиной 6 нм из соединения ZnSe, разделенные барьерными слоями из Zn0.82Mg0.18S0.24Se0.76 толщиной 86 нм. Верхний и нижний слои выполнены толщиной 89 нм из того же соединения, что и барьерные слои. На поверхность гетероструктуры, противоположную поверхности крепления к хладопроводящей подложке, напылен дополнительный поглощающий слой Si толщиной 6 нм. Гетероструктура имеет активную площадь в виде прямоугольника со сторонами 4 и 3 см. На расстоянии 3 см от поверхности гетероструктуры колба содержит плоскопараллельное оптическое окно с просветленными поверхностями. Вне колбы на расстоянии 4 см от поверхности гетероструктуры размещено внешнее плоское полупрозрачное зеркало с элементами юстировки. Коэффициент отражения внешнего зеркала равен 99%.The heterostructure contains 4 QWs with a thickness of 6 nm from the ZnSe compound, separated by barrier layers of Zn 0.82 Mg 0.18 S 0.24 Se 0.76 with a thickness of 86 nm. The upper and lower layers are made with a thickness of 89 nm from the same compound as the barrier layers. An additional 6 nm thick absorbing layer of Si is sprayed onto the surface of the heterostructure opposite the surface of the attachment to the cold-conducting substrate. The heterostructure has an active area in the form of a rectangle with
Электронный пучок диаметром 1 мм сканирует по поверхности лазерной мишени со скоростью 1 см/мкс. В результате лазерная мишень генерирует излучение на длине волны 460 нм с мощностью 16 Вт и углом расходимости менее 10-3 рад.An electron beam with a diameter of 1 mm scans the surface of the laser target at a speed of 1 cm / μs. As a result, the laser target generates radiation at a wavelength of 460 nm with a power of 16 W and a divergence angle of less than 10 -3 rad.
Пример 3. Полупроводниковый лазер содержит лазерную мишень, как в примере 2, внешнее плоское зеркало, набор линеек лазерных диодов на основе AlGaInN, излучающих на длине волны 410 нм. Линейки имеют волоконные жгуты, формирующие круглые расходящиеся пучки излучения. Излучение линеек с помощью фокусирующих линз направляется на поверхность гетероструктуры, где формируется пятно накачки. При использовании 10 линеек с мощностью 35 Вт каждая формируется пятно накачки диаметром 3 мм. В результате возникает генерация на длине волны 465 нм с мощностью 90 Вт и углом расходимости менее 3·10-4 рад.Example 3. A semiconductor laser contains a laser target, as in example 2, an external plane mirror, a set of lines of laser diodes based on AlGaInN, emitting at a wavelength of 410 nm. The rulers have fiber bundles forming round diverging beams of radiation. The radiation of the lines with the help of focusing lenses is directed to the surface of the heterostructure, where a pump spot is formed. When using 10 rulers with a power of 35 W each, a pump spot with a diameter of 3 mm is formed. As a result, generation occurs at a wavelength of 465 nm with a power of 90 W and an angle of divergence of less than 3 · 10 -4 rad.
Claims (32)
где N(z) - показатель преломления среды, зависящий от расстояния от зеркала;
φ - сдвиг фазы на этом зеркале;
λ - длина волны генерации лазера.9. The laser of claim 8, characterized in that each active layer is placed at a distance s from one of the mirrors, which is one of the solutions of the equation
where N (z) is the refractive index of the medium, depending on the distance from the mirror;
φ is the phase shift on this mirror;
λ is the laser generation wavelength.
где N(z) - показатель преломления среды, зависящий от расстояния от зеркала;
φ - сдвиг фазы на этом зеркале;
λ - длина волны генерации лазера.10. The laser according to claim 1, characterized in that each additional absorbing layer is placed at a distance s 1 from one of the mirrors, which is one of the solutions of the equation
where N (z) is the refractive index of the medium, depending on the distance from the mirror;
φ is the phase shift on this mirror;
λ is the laser generation wavelength.
где hi - толщина i-го слоя;
Los - потери резонатора за один обход.17. The laser according to claim 1, characterized in that the number N and the absorption coefficients α i of the additional absorbing layers are selected from the condition:
where h i is the thickness of the i-th layer;
Los - cavity loss in one round.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008150671/28A RU2408119C2 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Semiconductor laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008150671/28A RU2408119C2 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Semiconductor laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008150671A RU2008150671A (en) | 2010-06-27 |
| RU2408119C2 true RU2408119C2 (en) | 2010-12-27 |
Family
ID=42683172
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008150671/28A RU2408119C2 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Semiconductor laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2408119C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529450C2 (en) * | 2012-07-04 | 2014-09-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Нижегородский Государственный Университет Им. Н.И. Лобачевского" | Semiconductor laser (versions) |
-
2008
- 2008-12-23 RU RU2008150671/28A patent/RU2408119C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529450C2 (en) * | 2012-07-04 | 2014-09-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Нижегородский Государственный Университет Им. Н.И. Лобачевского" | Semiconductor laser (versions) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008150671A (en) | 2010-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4539687A (en) | Semiconductor laser CRT | |
| JP3116675B2 (en) | Semiconductor laser | |
| US4695332A (en) | Method of making a semiconductor laser CRT | |
| US20130250986A1 (en) | Optically pumped surface emitting lasers incorporating high reflectivity/ bandwidth limited reflector | |
| EP0696094B1 (en) | Laser electron-beam tube | |
| JPH05235470A (en) | Laser diode | |
| Ishikawa et al. | 0.98-1.02 mu m strained InGaAs/AlGaAs double quantum-well high-power lasers with GaInP buried waveguides | |
| Wade et al. | High continuous wave power, 0.8 μm-band, Al-free active-region diode lasers | |
| US6822988B1 (en) | Laser apparatus in which GaN-based compound surface-emitting semiconductor element is excited with GaN-based compound semiconductor laser element | |
| RU2461932C2 (en) | Semiconductor disc laser | |
| RU2408119C2 (en) | Semiconductor laser | |
| JP3515361B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| Butaev et al. | E-beam longitudinal pumped semiconductor laser based on ZnCdS/ZnSSe type-II multi quantum well structure | |
| US9106053B2 (en) | Distributed feedback surface emitting laser | |
| JP4787205B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor laser | |
| JP3449751B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| Zverev et al. | ZnSe‐Based Room Temperature Low‐Threshold Electron‐Beam Pumped Semiconductor Laser | |
| Ledentsov et al. | High-power edge-emitting laser diode with narrow vertical beam divergence | |
| US10277005B2 (en) | Pumped edge emitters with metallic coatings | |
| JP3432968B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| JP2007081197A (en) | Semiconductor laser and its manufacturing method | |
| JPH0856055A (en) | Semiconductor laser system | |
| Wiśniewski et al. | Broad-area high-power CW operated InGaN laser diodes | |
| JPH08181386A (en) | Semiconductor optical element | |
| JP4425948B2 (en) | Nitride semiconductor laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151224 |