RU2423764C1 - Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output - Google Patents
Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output Download PDFInfo
- Publication number
- RU2423764C1 RU2423764C1 RU2009145246/28A RU2009145246A RU2423764C1 RU 2423764 C1 RU2423764 C1 RU 2423764C1 RU 2009145246/28 A RU2009145246/28 A RU 2009145246/28A RU 2009145246 A RU2009145246 A RU 2009145246A RU 2423764 C1 RU2423764 C1 RU 2423764C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- radiation
- output
- laser
- whispering gallery
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к резонаторам полупроводниковых лазеров с лучеиспускающей поверхностью на основе гетероструктур.The invention relates to resonators of semiconductor lasers with a beam emitting surface based on heterostructures.
Создание вертикально излучающих лазеров с хорошим качеством выходящего пучка, создаваемых на одной полупроводниковой пластине (подложке) в одном технологическом процессе, - одна из актуальнейших задач полупроводниковой оптоэлектроники. В настоящее время для этих целей используются вертикально излучающие лазеры на основе брегговских зеркал (так называемые VCSEL лазеры - vertical cavity surface emitting laser) [1]. В таких лазерах вместо волноводных слоев с обеих сторон активной области (как в стандартных гетеролазерах) выращиваются брегговские зеркала, которые удерживают вертикально распространяющуюся моду в пределах активной области [1]. Эта мода частично выходит через верхний контакт, создавая лазерное излучение с достаточно широким (гауссовым) пучком. К сожалению, во-первых, изготовление брегговских зеркал достаточно тонкая (дорогая) процедура. Во-вторых, ток в таких лазерах течет через эти зеркала, что ухудшает инжекцию носителей и снижает эффективность. Это особенно существенно для длинноволновых межзонных и внутризонных каскадных лазеров (и тем более для терагерцевых каскадных лазеров), для которых подход на основе подобных брегговских зеркал вообще не применяется. В-третьих, при увеличении площади лазера в плоскости полупроводниковой пластины возникают высшие моды, ухудшающие качество выходящего пучка.The creation of vertically emitting lasers with good quality of the output beam, created on one semiconductor wafer (substrate) in one technological process, is one of the most urgent tasks of semiconductor optoelectronics. Currently, vertically emitting lasers based on Bragg mirrors (the so-called VCSEL lasers - vertical cavity surface emitting laser) are used for these purposes [1]. In such lasers, instead of waveguide layers on both sides of the active region (as in standard heterolasers), Bragg mirrors are grown that hold the vertically propagating mode within the active region [1]. This mode partially exits through the upper contact, creating laser radiation with a fairly wide (Gaussian) beam. Unfortunately, firstly, the manufacture of Bragg mirrors is a rather delicate (expensive) procedure. Secondly, the current in such lasers flows through these mirrors, which degrades the injection of carriers and reduces the efficiency. This is especially important for long-wavelength interband and intraband cascade lasers (and even more so for terahertz cascade lasers), for which an approach based on such Bragg mirrors is not applied at all. Thirdly, with increasing laser area in the plane of the semiconductor wafer, higher modes appear that degrade the quality of the output beam.
Для создания на одной полупроводниковой пластине множественной системы лазеров возможен подход, основанный на применении круговых резонаторов на модах шепчущей галереи. Такой круговой резонатор имеет вид цилиндра, основанием которого является круг. Изготовление данных резонаторов весьма просто и дешево по сравнению с VCSEL лазерами. Однако в круговых резонаторах на модах шепчущей галереи лазерное поле сосредоточено внутри резонатора и не выходит наружу. Известны конструкции полупроводникового лазера с резонатором на модах шепчущей галереи некруговой формы (в виде цилиндра, основание которого некруговое). Использование такого резонатора дает возможность управлять видом диаграммы направленности в плоскости лазерной структуры. При этом выход излучения оказывается горизонтальным - в плоскости гетероструктуры (см. патент US 6333944, H01S 3/081, 3/083, публ. 25.12.2001). Горизонтальный вывод излучения лазера не дает возможность объединить в один выходной пучок излучение от совокупности таких лазеров, изготовленных на одной подложке.An approach based on the use of circular resonators on whispering gallery modes is possible to create a multiple laser system on a single semiconductor wafer. Such a circular resonator has the form of a cylinder, the base of which is a circle. The manufacture of these resonators is very simple and cheap compared to VCSEL lasers. However, in circular resonators on whispering gallery modes, the laser field is concentrated inside the resonator and does not go outside. There are known designs of a semiconductor laser with a resonator based on modes of a whispering gallery of a non-circular shape (in the form of a cylinder whose base is non-circular). The use of such a resonator makes it possible to control the type of radiation pattern in the plane of the laser structure. In this case, the radiation output turns out to be horizontal — in the plane of the heterostructure (see US patent 6333944, H01S 3/081, 3/083, publ. December 25, 2001). The horizontal output of laser radiation does not make it possible to combine radiation from a combination of such lasers made on one substrate into one output beam.
В квантовом каскадном лазере, описанном в патенте US 6836499, H01S 5/00, 5/10, 5/34, публ. 28.12.2004, вывод излучения также происходит в горизонтальной плоскости, при этом данная конструкция позволяет осуществлять управление диаграммой направленности излучения с помощью специального рупора, расположенного в горизонтальной плоскости. Данный аналог обладает тем же недостатком, что и предыдущий.In the quantum cascade laser described in US 6836499, H01S 5/00, 5/10, 5/34, publ. 12/28/2004, the output of radiation also occurs in the horizontal plane, while this design allows you to control the radiation pattern using a special horn located in the horizontal plane. This analogue has the same drawback as the previous one.
Наиболее близким аналогом к настоящему изобретению является конструкция резонатора на модах шепчущей галереи, обеспечивающая вертикальный вывод излучения лазера (US 5343490, H01S 5/00, 5/10, 5/18, публ. 30.09.1994, "Whispering Mode Micro-Resonator" («Микрорезонатор на шепчущих модах»)). В данном патенте описано устройство, представляющее собой круговой резонатор, в котором благодаря отражению от внешней поверхности полупроводникового цилиндра возникают электромагнитные моды типа шепчущей галереи. Данное устройство может работать в режимах как ниже порогового (то есть как светодиод), так и выше порогового (как лазер). При этом выход электромагнитного излучения осуществляется преимущественно в плоскости изготовленного из полупроводниковой структуры кругового резонатора. Для осуществления вертикального вывода излучения перпендикулярно плоскости структуры или под некоторым углом на верхнюю поверхность резонатора наносятся риски или углубления (с помощью химического травления или механическим путем), расположенные периодически так, чтобы расстояние между ними было приблизительно равно длине волны генерации в данном образце. Таким образом, данное устройство вывода излучения является селективным (узкополосным) по длине волны, так как обеспечивает эффективное излучение только тех волн, длина волны которых в образце совпадает с расстоянием между нанесенными рисками. В данном патенте сообщается, что в данном резонаторе может быть осуществлен вертикальный узкополосный вывод излучения также с помощью решеток, нанесенных на нижнюю или верхнюю поверхности.The closest analogue to the present invention is the design of the resonator on whispering gallery modes, providing vertical output of laser radiation (US 5343490, H01S 5/00, 5/10, 5/18, publ. 09/30/1994, "Whispering Mode Micro-Resonator" ( "Whispering microcavity")). This patent describes a device that is a circular resonator in which, due to reflection from the outer surface of the semiconductor cylinder, electromagnetic modes such as a whispering gallery arise. This device can operate in modes below the threshold (that is, as an LED), and above the threshold (like a laser). In this case, the output of electromagnetic radiation is carried out mainly in the plane of a circular resonator made of a semiconductor structure. To carry out a vertical output of radiation perpendicular to the plane of the structure or at some angle, risks or recesses are applied to the upper surface of the resonator (by chemical etching or by mechanical means), arranged periodically so that the distance between them is approximately equal to the generation wavelength in this sample. Thus, this radiation output device is selective (narrow-band) at a wavelength, since it provides efficient emission of only those waves whose wavelength in the sample coincides with the distance between the applied risks. In this patent it is reported that in this resonator a vertical narrow-band radiation output can also be carried out using gratings deposited on the lower or upper surface.
Недостатком резонатора-прототипа является то, что он обеспечивает вывод узкополосного сигнала - электромагнитных волн - с заранее определенной длиной волны. Имеется много статей и патентов, описывающих такие селективные устройства вывода излучения из резонаторов на модах шепчущей галереи.The disadvantage of the prototype resonator is that it provides the output of a narrowband signal - electromagnetic waves - with a predetermined wavelength. There are many articles and patents describing such selective devices for outputting radiation from resonators in whispering gallery modes.
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка резонатора лазера на модах шепчущей галереи, обеспечивающего вывод широкополосного по длине волны излучения в вертикальном направлении.The problem solved by this invention is the development of a resonator laser whispering gallery modes, providing output broadband wavelength radiation in the vertical direction.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что разработанный резонатор, так же как и резонатор-прототип полупроводникового гетеролазера на модах шепчущей галереи с вертикальным выводом, имеет в любом горизонтальном сечении форму круга, т.е. выполнен с круговым сечением.The specified technical result is ensured by the fact that the developed resonator, like the prototype resonator of a semiconductor heterolaser based on whispering gallery modes with vertical output, has a circle shape in any horizontal section, i.e. made with a circular cross section.
Новым в разработанном резонаторе является то, что резонатор изготовлен в виде тела вращения, которое включает в себя активную область, обкладочные слои и часть подложки, при этом образующая боковой поверхности тела вращения имеет наклон по отношению к нормали гетероструктуры.New in the developed resonator is that the resonator is made in the form of a body of revolution, which includes an active region, cover layers and a part of the substrate, while the generatrix of the side surface of the body of revolution has an inclination with respect to the normal of the heterostructure.
Основное отличие от прототипа предлагаемого авторами устройства - резонатора на модах шепчущей галереи со специальной формой образующей резонатора - состоит в том, что в предлагаемом устройстве нет никаких рисок или структур, наносимых на границы резонатора, и поэтому нет выделенных масштабов длин волн. Вследствие этого предлагаемая авторами конструкция резонатора с вертикальным выводом излучения является широкополосной по длине волны излучения: любая мода шепчущей галереи на любой частоте излучения будет эффективно излучаться вверх (или вниз, в подложку, в зависимости от наклона боковой образующей резонатора). Дополнительным преимуществом в данном случае является отсутствие необходимости изготовления периодической модулирующей структуры, что может быть весьма непростым (дорогим) делом для коротковолновых лазеров.The main difference from the prototype of the device proposed by the authors — a resonator based on whispering gallery modes with a special shape of the resonator generatrix — consists in the fact that the proposed device does not have any patterns or structures applied to the resonator boundaries, and therefore there are no distinguished wavelength scales. As a result, the design of the resonator with a vertical output of radiation proposed by the authors is broadband in the radiation wavelength: any whispering gallery mode at any radiation frequency will effectively radiate upward (or downward to the substrate, depending on the inclination of the side generatrix of the resonator). An additional advantage in this case is the absence of the need to manufacture a periodic modulating structure, which can be a very difficult (expensive) business for short-wave lasers.
Изобретение представлено следующими чертежами:The invention is represented by the following drawings:
на фиг.1 приведена схема лазера с резонатором на модах шепчущей галереи с вертикальным выходом излучения в подложку за счет наклонной формы стенки резонатора в виде тела вращения;figure 1 shows a diagram of a laser with a resonator on the whispering gallery modes with a vertical output of radiation into the substrate due to the inclined shape of the cavity wall in the form of a body of revolution;
на фиг.2 приведены фотографии изготовленного полупроводникового лазера на основе гетероструктуры с выводом излучения в вертикальной плоскости, осуществляемым за счет наклонной боковой поверхности лазера (слева - фотография разреза упомянутого лазера, справа - его внешний вид сверху).figure 2 shows photographs of a fabricated semiconductor laser based on a heterostructure with the output of radiation in the vertical plane, carried out due to the inclined side surface of the laser (on the left is a photograph of a section of the laser, on the right is its top view).
На фиг.1 схематично показан пример формы образующей предлагаемого резонатора из полупроводниковой гетероструктуры. Резонатор, изготовленный в виде тела вращения, образован боковыми поверхностями активной зоны 1, обкладочных слоев 2 и части подложки 3 гетероструктуры. Наклон образующей 4 тела вращения относительно нормали 5 гетероструктуры обеспечивает выход излучения из данного резонатора в подложку 3 структуры. В общем случае сечение такого резонатора вертикальной плоскостью имеет форму сечения тела вращения, в частности, например, параболоида, конуса или сферы, а также может иметь и более сложную форму. Наличие на боковой поверхности лазера участков, наклонных по отношению к нормали 5 гетероструктуры, будет приводить к тому, что волна лазерного излучения при отражении от боковой поверхности постепенно будет вытекать в вертикальном направлении (см. фиг.1). Использование различных форм поперечных сечений резонатора приводит к различному пространственному распределению интенсивности в выходящем пучке лазерного излучения. Поскольку в предлагаемой конструкции отсутствуют какие-либо селективные элементы, она является широкополосной по длине волны излучения и, таким образом, позволяет решить поставленную задачу.Figure 1 schematically shows an example of the shape of the generatrix of the proposed resonator from a semiconductor heterostructure. The resonator, made in the form of a body of revolution, is formed by the lateral surfaces of the core 1, cover layers 2 and part of the substrate 3 of the heterostructure. The inclination of the generatrix 4 of the body of revolution with respect to the normal 5 of the heterostructure provides the output of radiation from this resonator into the substrate 3 of the structure. In the general case, the cross section of such a resonator with a vertical plane has the shape of a section of a body of revolution, in particular, for example, a paraboloid, cone or sphere, and can also have a more complex shape. The presence on the side surface of the laser of sections inclined with respect to the normal 5 of the heterostructure will lead to the fact that the wave of laser radiation when reflected from the side surface will gradually flow in the vertical direction (see figure 1). The use of various shapes of the cross sections of the resonator leads to a different spatial intensity distribution in the output laser beam. Since the proposed design does not have any selective elements, it is broadband in the radiation wavelength and, thus, allows us to solve the problem.
Резонатор предлагаемой формы с наклонной боковой поверхностью может быть изготовлен, например, с помощью химического травления полупроводниковых гетероструктур.The resonator of the proposed form with an inclined lateral surface can be made, for example, by chemical etching of semiconductor heterostructures.
На фиг.2 показаны микрофотографии изготовленных авторами полупроводниковых инжекционных гетеролазеров на основе InAsSb/InAsSbP гетероструктур с выводом излучения в вертикальном направлении за счет наклонной боковой поверхности резонатора в виде тела вращения: слева - скол лазера (вид с боку); справа - вид лазерного диода (вид сверху). Авторами изготовлены также аналогичные резонаторы на модах шепчущей галереи с неселективным вертикальным выводом излучения за счет наклонной образующей для гетеролазеров с оптической накачкой на основе гетероструктур CdHgTe. Это самые простые примеры неселективного вертикального вывода излучения из резонаторов полупроводниковых гетеролазеров на основе мод шепчущей галереи. Образующая резонатора может иметь модуляцию по наклону, она (образующая) может быть многоэлементной -ступенчатой, например, для получения более узкой диаграммы направленности выходящего лазерного пучка и т.п.Figure 2 shows microphotographs of semiconductor injection heterolasers made by the authors based on InAsSb / InAsSbP heterostructures with radiation output in the vertical direction due to the inclined side surface of the resonator in the form of a body of revolution: on the left is a laser chip (side view); on the right is a view of a laser diode (top view). The authors also fabricated similar resonators in whispering gallery modes with non-selective vertical radiation output due to the oblique generatrix for optical-pumped heterolasers based on CdHgTe heterostructures. These are the simplest examples of non-selective vertical output of radiation from resonators of semiconductor heterolasers based on whispering gallery modes. The generator of the resonator can be modulated along the slope, it (the generator) can be multi-element-step, for example, to obtain a narrower radiation pattern of the output laser beam, etc.
Таким образом, авторами были продемонстрированы лазеры на модах шепчущей галереи с системой вертикального вывода излучения (фиг.2). Полученный эффект вертикального выхода лазерного излучения заключается в том, что в вертикальном направлении (перпендикулярно плоскости гетероструктуры) интенсивность выходящего излучения оказалась в несколько раз больше, чем в других направлениях.Thus, the authors have demonstrated whispering gallery mode lasers with a vertical radiation output system (Fig. 2). The obtained effect of the vertical output of laser radiation lies in the fact that in the vertical direction (perpendicular to the plane of the heterostructure) the intensity of the output radiation was several times greater than in other directions.
Разработанный резонатор может быть использован для создания на одной полупроводниковой пластине за один технологический цикл множественной системы лазеров с хорошим качеством выходящего в вертикальном направлении пучка.The developed resonator can be used to create on one semiconductor wafer in one technological cycle a multiple laser system with good quality of the beam emerging in the vertical direction.
1. Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser - Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201-1215; Soda et al., Haruhisa (1979), "GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers", Japanese Journal of Applied Physics 18 (12): 2329-2330; Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71(11): 1089-1090.1. Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser - Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201-1215; Soda et al., Haruhisa (1979), "GaInAsP / InP Surface Emitting Injection Lasers", Japanese Journal of Applied Physics 18 (12): 2329-2330; Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71 (11): 1089-1090.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009145246/28A RU2423764C1 (en) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009145246/28A RU2423764C1 (en) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2423764C1 true RU2423764C1 (en) | 2011-07-10 |
Family
ID=44740455
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009145246/28A RU2423764C1 (en) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2423764C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015133936A1 (en) | 2014-03-05 | 2015-09-11 | Yury Georgievich Shreter | Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry |
-
2009
- 2009-12-07 RU RU2009145246/28A patent/RU2423764C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015133936A1 (en) | 2014-03-05 | 2015-09-11 | Yury Georgievich Shreter | Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry |
US9948065B2 (en) | 2014-03-05 | 2018-04-17 | Yury Georgievich Shreter | Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2478174C (en) | Mode control using transversal bandgap structure in vcsels | |
JP5118544B2 (en) | Surface emitting laser element | |
JP5430217B2 (en) | Surface emitting laser array | |
US20070030873A1 (en) | Polarization control in VCSELs using photonics crystals | |
JP3658194B2 (en) | Ring resonator laser | |
EP2525450A1 (en) | Reflectivity-modulated grating-mirror | |
KR20060113472A (en) | Vertical cavity surface emitting laser device | |
JPS63318195A (en) | Transverse buried type surface emitting laser | |
JP2009231773A (en) | Photonic crystal face emission laser element and method of manufacturing the same | |
JP2009540593A (en) | Optoelectronic device and manufacturing method thereof | |
US7830943B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser and method of manufacturing two-dimensional photonic crystal of vertical cavity surface emitting laser | |
KR20140057536A (en) | Laser device | |
JP4673951B2 (en) | Semiconductor laser and manufacturing method thereof | |
JPH10284806A (en) | Vertical resonator laser having photonic band structure | |
CN115868090A (en) | Photonic crystal surface emitting laser element | |
JP2010098135A (en) | Surface light emitting device and method of manufacturing the same | |
JP2023526771A (en) | Topological insulator surface emitting laser system | |
JP5026679B2 (en) | Optically pumped surface emitting semiconductor laser device | |
CA2473396C (en) | High coherent power, two-dimensional surface-emitting semiconductor diode array laser | |
US7418014B2 (en) | Surface-emitting type semiconductor laser, and method for manufacturing the same, optical switch, and optical branching ratio variable element | |
RU2423764C1 (en) | Resonator on modes of whispering gallery with vertical radiation output | |
US20040125840A1 (en) | Oxide-confined VCSEL device and the method for making the same | |
US7502405B2 (en) | Semiconductor system having a ring laser fabricated by expitaxial layer overgrowth | |
JP2006261316A (en) | Photonic crystal laser, its manufacturing method and optical transmission system | |
US20210344165A1 (en) | Laser device and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151208 |