RU2444101C1 - Injection laser - Google Patents

Injection laser Download PDF

Info

Publication number
RU2444101C1
RU2444101C1 RU2010144644/28A RU2010144644A RU2444101C1 RU 2444101 C1 RU2444101 C1 RU 2444101C1 RU 2010144644/28 A RU2010144644/28 A RU 2010144644/28A RU 2010144644 A RU2010144644 A RU 2010144644A RU 2444101 C1 RU2444101 C1 RU 2444101C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
doped region
region
injection laser
injection
optical
Prior art date
Application number
RU2010144644/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Олегович Слипченко (RU)
Сергей Олегович Слипченко
Илья Сергеевич Тарасов (RU)
Илья Сергеевич Тарасов
Никита Александрович Пихтин (RU)
Никита Александрович Пихтин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority to RU2010144644/28A priority Critical patent/RU2444101C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2444101C1 publication Critical patent/RU2444101C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: heterostructure-based laser has a waveguide layer enclosed between wide-gap emitters with p and n conductivity type, which are simultaneously bounding layers, an active region consisting of quantum size active layer, an optical Fabry-Perot resonator and a strip ohmic contact with an injection region underneath. In the waveguide layer outside the injection region there is a doped region, where the optical limiting factor of the closed mode in the doped region and concentration of free charge carriers in the doped region satisfy the relationship:
Figure 00000035
where:
Figure 00000036
is the value of the component of the optical limiting factor GY in the amplification region for the closed mode, arbitrary units;
Figure 00000037
is the mode loss at the output of the Fabry-Perot resonator, cm-1; αi is loss due to absorption on free charge carriers in the amplification region, cm-1; Δα denotes losses associated with closed mode radiation scattering on irregularities (αSC), inter-band absorption (αBGL) and absorption on free charge carriers in lateral parts of the injection laser, cm-1;
Figure 00000038
is the closed mode optical limiting factor in the doped region, arbitrary units; n, p denote concentration of free electrons and holes in the doped region, respectively, cm-3; σn, σp denote the absorption cross-section on free electrons and holes in the doped region, respectively, cm2.
EFFECT: high optical power output in both continuous and pulsed modes of current pumping, high stability of the output optical power.
13 cl, 5 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам.The present invention relates to quantum electronic technology, and more specifically to high-power semiconductor lasers.

Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе максимальные КПД и мощность излучения. Разработка новых подходов к конструированию мощных полупроводниковых лазеров позволила существенно улучшить оптические параметры гетероструктур. Для современных полупроводниковых лазеров внутренние оптические потери составляют величину менее 1 см-1 при внутреннем квантовом выходе, близком к 100%. Высокое оптическое совершенство лазерных гетероструктур и низкие оптические потери позволяют достигать непрерывных и импульсных уровней возбуждения несколько десятков ампер. Следствием таких изменений характеристик лазерных гетероструктур и уровней возбуждения является появление новых эффектов, ряд из которых ведет к насыщению ватт-амперной характеристики и падению максимальной выходной мощности излучения.Powerful semiconductor lasers are widely used in many fields of science and technology, for example, they are used as a source of optical radiation for pumping fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers. This requires a semiconductor laser to combine maximum efficiency and radiation power. The development of new approaches to the design of high-power semiconductor lasers has significantly improved the optical parameters of heterostructures. For modern semiconductor lasers, the internal optical loss is less than 1 cm -1 with an internal quantum yield close to 100%. The high optical perfection of laser heterostructures and low optical losses make it possible to achieve continuous and pulsed excitation levels of several tens of amperes. The consequence of such changes in the characteristics of laser heterostructures and excitation levels is the emergence of new effects, a number of which lead to saturation of the watt-ampere characteristic and a decrease in the maximum output radiation power.

Известен инжекционный лазер (см. патент US 7643527, МПК H05S 5/323, опубликован 05.01.2010), включающий подложку, характеризующуюся наличием областей с дислокациями с плотностью 105 см-2 или больше, кристаллическую полупроводниковую структуру, расположеную на подложке и имеющую активный слой. Изолирующий слой расположен на полупроводниковой структуре, верхний омический контакт расположен на изолирующем слое и электрически связан с полупроводниковой структурой для инжекции тока в активную область. Нижний омический контакт расположен на нижней поверхности подложки. Полупроводниковый лазер имеет оптический резонатор с длиной L и площадью верхнего омического контакта 120·L мкм2 или меньше.Known injection laser (see patent US 7643527, IPC H05S 5/323, published 05.01.2010), including a substrate, characterized by the presence of regions with dislocations with a density of 10 5 cm -2 or more, a crystalline semiconductor structure located on the substrate and having an active layer. The insulating layer is located on the semiconductor structure, the upper ohmic contact is located on the insulating layer and is electrically connected to the semiconductor structure to inject current into the active region. The lower ohmic contact is located on the lower surface of the substrate. The semiconductor laser has an optical resonator with a length L and an upper ohmic contact area of 120 · L μm 2 or less.

К недостаткам предлагаемого инжекционного лазера относится отсутствие технических решений для подавления генерации замкнутой моды. В результате выходная оптическая мощность предлагаемого полупроводникового лазера не достигает максимально возможного значения.The disadvantages of the proposed injection laser include the lack of technical solutions to suppress the generation of a closed mode. As a result, the output optical power of the proposed semiconductor laser does not reach the maximum possible value.

Известен инжекционный лазер (см. патент RU №2230410, МПК H01S 5/042, опубликован 10.06.2004), включающий лазерную гетероструктуру с волноводными слоями, в одном из ограничительных слоев которой расположены рельефные структуры, по меньшей мере, часть мезаполоски и пассивные области с основаниями вблизи границы ограничительного слоя, ближайшей к активной области. По меньшей мере, часть основания каждой пассивной области является рельефной структурой, примыкающей к мезаполоске, имеющей в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, протяженность, превышающую расстояние, обеспечивающее рассеяние излучения, распространяющегося в упомянутом направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора. Каждая рельефная структура имеет амплитуду не менее 0,1 мкм и отдалена от упомянутой границы ограничительного слоя на расстояние, не превышающее 0,5 мкм.An injection laser is known (see patent RU No. 2230410, IPC H01S 5/042, published June 10, 2004), which includes a laser heterostructure with waveguide layers, in one of the limiting layers of which there are relief structures, at least part of the mesa strip and passive regions with bases near the boundary of the boundary layer closest to the active region. At least a portion of the base of each passive region is a relief structure adjacent to the messtrip, having in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the resonator a length exceeding the distance providing scattering of radiation propagating in said direction perpendicular to the longitudinal axis of the resonator. Each relief structure has an amplitude of at least 0.1 μm and is distant from the mentioned boundary of the bounding layer by a distance not exceeding 0.5 μm.

Известный лазер имеет увеличенную выходную мощность излучения, суженную и улучшенную пространственную диаграмму выходного излучения в плоскости p-n-перехода до одномодовой, улучшенный спектр излучения до одночастотного, а также стабильные параметры ввиду увеличения эффективности поглощения нежелательных мод высокого порядка и кольцевых, оптимизации величины бокового оптического ограничения.The known laser has an increased output radiation power, a narrowed and improved spatial diagram of the output radiation in the p-n junction plane to a single-mode, an improved emission spectrum to a single-frequency, as well as stable parameters due to an increase in the absorption efficiency of undesirable high-order and ring modes, and optimization of the lateral optical limitation.

Однако известный инжекционный лазер не решает задачи увеличения оптической мощности, так как лазерные гетероструктуры с низкими внутренними оптическими потерями характеризуются близкой к 100% локализацией поля лазерной моды в волноводных слоях. В этом случае любые периодические структуры, сформированные в любых ограничительных слоях, становятся неэффективными, т.к. поле лазерной моды с ними не перекрывается.However, the well-known injection laser does not solve the problem of increasing the optical power, since laser heterostructures with low internal optical losses are characterized by a localization of the laser mode field close to 100% in the waveguide layers. In this case, any periodic structures formed in any restrictive layers become ineffective, because the laser mode field does not overlap with them.

Известен инжекционный лазер (см. №2230411, МПК H01S 5/034, опубликован 10.06.2004), включающий гетероструктуру, содержащую активный слой, по меньшей мере волноводные слои, ограничительные слои, размещенные с двух сторон от него, а также мезаполоску гребневидного волновода, сформированную со стороны p-типа гетероструктуры, с основанием, расположенным в ограничительном слое, размещенном с той же стороны активного слоя. Ограничительный слой со стороны p-типа гетероструктуры сформирован по меньшей мере из двух подслоев, имеющих один и тот же состав. Ограничительный первый подслой, граничащий с волноводным слоем, или не легирован, или имеет концентрацию p-типа не более 3·1017 см-3. Граничащий с первым последующий ограничительный подслой имеет концентрацию p-типа более 3·1017 см-3, мезаполоска гребневидного волновода сформирована двухъярусной. Первый ярус соосно расположен на дополнительно введенном в ограничительный первый подслой втором ярусе мезаполоски, имеющем ширину, превышающую ширину первого яруса мезаполоски в 1,5-4 раза.Known injection laser (see No. 2230411, IPC H01S 5/034, published 06/10/2004), comprising a heterostructure containing an active layer, at least waveguide layers, boundary layers placed on both sides of it, as well as a mestripe of comb-like waveguide, formed from the p-type side of the heterostructure, with the base located in the bounding layer placed on the same side of the active layer. The boundary layer on the p-type side of the heterostructure is formed of at least two sublayers having the same composition. The restrictive first sublayer adjacent to the waveguide layer is either not doped or has a p-type concentration of not more than 3 · 10 17 cm -3 . The next limiting sublayer adjacent to the first one has a p-type concentration of more than 3 · 10 17 cm -3 , the messtrip of the crest-shaped waveguide is formed in two layers. The first tier is coaxially located on the second tier of the mesa strip additionally inserted into the restrictive first sublayer, having a width exceeding the width of the first tier of the mesa strip by 1.5-4 times.

В известном лазере обеспечено снижение последовательного сопротивления лазера при минимальном профиле растекания, а также стабилизация одномодового режима генерации.In the known laser, a decrease in the series resistance of the laser is ensured with a minimum spreading profile, as well as stabilization of the single-mode lasing mode.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.A disadvantage of the known laser is the presence of optical communication with the regions lateral relative to the mesa strip. The absence of additional technical solutions that increase the internal optical loss in the side regions leads to the fulfillment of the threshold conditions for the generation of closed modes and a decrease in the output optical power.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU №2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношениюThe closest in technical essence and in the aggregate of essential features is an injection laser (see patent RU No. 2259620, IPC H01S 5/32, published August 27, 2005). The injection laser prototype contains a separate confinement heterostructure, including a multimode waveguide, the confining layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation

Г0QWmQW>1,7;G 0 QW / G m QW >1.7;

где Г0QW и ГmQW - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения, причем расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.where Г 0 QW and Г m QW are the optical confinement factors for the active region of the zero mode and mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively. The injection laser also contains reflectors, optical faces, ohmic contacts and an optical resonator. The active region is placed in an additional layer, the refractive index of which is greater than the refractive index of the waveguide, and the thickness and location in the waveguide are determined from the condition for the above relation to be fulfilled, and the distances from the active region to p- and n-emitters do not exceed the diffusion lengths of holes and electrons in the waveguide, respectively .

Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения.The known injection laser has a small divergence of radiation while maintaining a high value of efficiency and output power of the radiation.

Недостатком известного лазера является наличие оптической связи с областями боковыми относительно мезаполоски. Отсутствие в инжекционном лазере-прототипе дополнительных технических решений, увеличивающих внутренние оптические потери в боковых областях, ведет к выполнению пороговых условий генерации замкнутых мод и снижению выходной оптической мощности.A disadvantage of the known laser is the presence of optical communication with the regions lateral relative to the mesa strip. The absence of additional technical solutions in the injection laser prototype that increase the internal optical loss in the side regions leads to the fulfillment of the threshold conditions for the generation of closed modes and a decrease in the output optical power.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, который бы обеспечивал увеличение выходной оптической мощности как в непрерывном, так и в импульсном режимах токовой накачки, повышение временной стабильности выходной оптической мощности.The objective of the proposed technical solution was the development of such an injection laser design that would provide an increase in the output optical power in both continuous and pulsed current pumping modes, and increase the temporal stability of the output optical power.

Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер на основе гетероструктуры включает первый волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции. По меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнена по меньшей мере одна легированная область. Фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению:The problem is solved in that the injection laser based on the heterostructure includes a first waveguide layer enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, optical Fabry-Perot resonator and strip ohmic contact, under which the injection region is located. At least one doped region is formed in at least the first waveguide layer outside the injection region. The optical limitation factor of the closed mode (ZM) in the doped region and the concentration of free charge carriers in the doped region satisfy the relation:

Figure 00000001
;
Figure 00000001
;

где

Figure 00000002
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ, отн. ед.;Where
Figure 00000002
- the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region for ZM, rel. units;

Figure 00000003
- потери на выход Фабри-Перо моды, см-1;
Figure 00000003
- losses at the exit of the Fabry-Perot fashion, cm -1 ;

αi - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см-1;α i - internal optical absorption loss on free charge carriers in the amplification region, cm -1 ;

Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (αSC), межзонным поглощением (αBGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см-1;Δα is the optical loss associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities (α SC ), interband absorption (α BGL ) and absorption on free charge carriers in the sides of the injection laser relative to the strip ohmic contact, cm -1 ;

Figure 00000004
- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.;
Figure 00000004
- factor of optical limitation of ZM in the doped region, rel. units;

σn - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см2;σ n is the absorption cross section for free electrons in the doped region, cm 2 ;

n - концентрация свободных электронов в легированной области, см-3;n is the concentration of free electrons in the doped region, cm -3 ;

σp - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см2;σ p is the absorption cross section for free holes in the doped region, cm 2 ;

p - концентрация свободных дырок в легированной области, см-3.p is the concentration of free holes in the doped region, cm -3 .

Расстояние между ближайшими границами легированной области и области инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм.The distance between the nearest boundaries of the doped region and the injection region can be no less than 10 μm, and its width not less than 10 μm.

Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.The doped region may contain an element selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof as an n-type dopant.

Легированная область может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.The doped region may contain an element selected from the group C, S, Mg, Be, Zn, or a combination of these as a p-type dopant.

Легированная область может быть сформирована ионной бомбардировкой.The doped region can be formed by ion bombardment.

Легированная область может быть сформирована путем диффузии примеси из поверхностных слоев в волноводный слой.The doped region can be formed by diffusion of the impurity from the surface layers into the waveguide layer.

По меньшей мере в первом волноводном слое вне области инжекции могут быть выполнены две легированные области, расположенные в боковых частях инжекционного лазера.At least in the first waveguide layer, two doped regions located in the side parts of the injection laser can be made outside the injection region.

Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 1017 см-3.The concentration of the dopant of each type can be not less than 10 17 cm -3 .

Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя, при этом активная область расположена во втором волноводном слое.The injection laser may comprise a second waveguide layer with a band gap smaller than the band gap of the first waveguide layer, the active region being located in the second waveguide layer.

В инжекционном лазере продольный размер легированной области может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.In an injection laser, the longitudinal size of the doped region can be less than the length of the optical Fabry-Perot resonator.

Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А3B5.The heterostructure of the injection laser can be performed in the system of solid solutions A 3 B 5 .

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ.Improving the output characteristics of the inventive injection laser is provided by suppressing the generation of ZM.

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежом, гдеThe inventive injection laser is illustrated in the drawing, where

на фиг.1 изображен известный инжекционный лазер с полосковым омическим контактом;figure 1 shows a well-known injection laser with a strip ohmic contact;

на фиг.2 показан заявляемый инжекционный лазер, в боковую часть которого введена легированная область;figure 2 shows the inventive injection laser, in the side of which a doped region is introduced;

на фиг.3 показан заявляемый инжекционный лазер с первым и вторым волноводными слоями.figure 3 shows the inventive injection laser with the first and second waveguide layers.

на фиг.4 приведены качественные зависимости материального усиления в активном полоске (кривая 1) и потерь в пассивной области (кривая 2) от длины волны (λFP и λCM - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ,

Figure 00000005
, и
Figure 00000006
- материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ,
Figure 00000007
и
Figure 00000008
- потери на межзонное поглощение в пассивных областях соответственно для ФПМ и ЗМ);figure 4 shows the qualitative dependence of the material gain in the active strip (curve 1) and losses in the passive region (curve 2) on the wavelength (λ FP and λ CM are the generation wavelengths, respectively, of the FPM and ZM,
Figure 00000005
, and
Figure 00000006
- material gain, respectively, FPM and ZM,
Figure 00000007
and
Figure 00000008
- losses due to interband absorption in the passive regions for the MTF and ZM, respectively);

на фиг.5 показана зависимость выходной оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от тока накачки для известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера (кривая 3 - при непрерывном токе накачки, кривая 4 - при импульсном токе накачки для известного лазера; кривая 5. - при непрерывном токе накачки, кривая 6 - при импульсном токе накачки для заявляемого инжекционного лазера).figure 5 shows the dependence of the output optical power exiting through the face coated with an antireflection coating on the pump current for a known injection laser and the inventive injection laser (curve 3 for continuous pump current, curve 4 for pulsed pump current for a known laser; curve 5. - with a continuous pump current, curve 6 - with a pulsed pump current for the inventive injection laser).

Известный инжекционный лазер (см. фиг.1) содержит первый волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественно сколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12.The known injection laser (see Fig. 1) contains a first waveguide layer 1, enclosed between a wide-band p-type emitter 2 and a wide-band n-type emitter 3, an active region 4 consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry-Perot resonator, formed naturally by a cleaved face 5 with a coated antireflection and a face 6 with a reflective coating, a strip ohmic contact 7, under which there is an injection region 8, including a gain region (behind trihovana inclined solid lines) 9, side naturally cleaved facets forming the lateral limiting surface 10, substrate 11, the side portions of the injection laser (shaded inclined broken lines) 12.

Предлагаемый инжекционный лазер (см. фиг.2) содержит первый волноводный слой 1, заключенный между широкозонным эмиттером 2 p-типа проводимости и широкозонным эмиттером 3 n-типа проводимости, активную область 4, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 5 с нанесенным просветляющим покрытием и гранью 6 с нанесенным отражающим покрытием, полосковый омический контакт 7, под которым расположена область 8 инжекции, включающая область усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями) 9, боковые естественносколотые грани, формирующие боковые ограничительные поверхности 10, подложку 11, боковые части инжекционного лазера (заштрихованы наклонными прерывистыми линиями) 12, легированную область (заштрихована прямыми вертикальными линиями) 13. Инжекционный лазер может содержать две легированные области 13, расположенные в боковых частях инжекционного лазера. Расстояние между ближайшими границами легированной области 13 и области 8 инжекции может быть не меньше 10 мкм, а ее ширина не меньше 10 мкм. Легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию. В другом воплощении изобретения легированная область 13 может содержать в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию. Легированная область 13 может быть сформирована, например, ионной бомбардировкой или путем диффузии примеси из поверхностных слоев в первый волноводный слой 1. Концентрация легирующей примеси каждого типа может быть не меньше 1017 см-3. Инжекционный лазер может содержать второй волноводный слой 14 (см. фиг.3) с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя 1, при этом активная область 4 расположена во втором волноводном слое 14. Продольный размер легированной области 13 может быть меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора. Гетероструктура инжекционного лазера может быть выполнена в системе твердых растворов А3B5.The proposed injection laser (see figure 2) contains the first waveguide layer 1, enclosed between a wide-band p-type emitter 2 and a wide-band n-type emitter 3, an active region 4 consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry-Perot resonator, formed naturally by a cleaved face 5 with a coated antireflection and a face 6 with a coated reflective stripe ohmic contact 7, under which there is an injection region 8, including a gain region (shaded by inclined continuous lines) 9, laterally naturally cleaved faces forming lateral boundary surfaces 10, substrate 11, side parts of the injection laser (shaded by oblique broken lines) 12, doped region (shaded by straight vertical lines) 13. The injection laser may contain two doped regions 13 located in the lateral parts of the injection laser. The distance between the nearest boundaries of the doped region 13 and the injection region 8 can be no less than 10 μm, and its width not less than 10 μm. The doped region 13 may contain as an dopant of n-type conductivity an element selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof. In another embodiment of the invention, the doped region 13 may contain, as a p-type dopant, an element selected from the group: C, S, Mg, Be, Zn, or a combination thereof. The doped region 13 can be formed, for example, by ion bombardment or by diffusion of the impurity from the surface layers into the first waveguide layer 1. The concentration of the dopant of each type can be no less than 10 17 cm −3 . The injection laser may comprise a second waveguide layer 14 (see FIG. 3) with a band gap smaller than the band gap of the first waveguide layer 1, while the active region 4 is located in the second waveguide layer 14. The longitudinal dimension of the doped region 13 may be less than the length Optical Fabry-Perot resonator. The heterostructure of the injection laser can be performed in the system of solid solutions A 3 B 5 .

Улучшение выходных характеристик заявляемого инжекционного лазера обеспечивается за счет подавления генерации ЗМ. Для инжекционных лазеров характерна модовая структура излучения, которая рассчитывается с помощью волнового уравнения [Х.Кейси, М.Паниш. - Лазеры на гетероструктурах. - Москва, Мир, 1981; L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Можно выделить два типа модовых структур. Первый - это моды Фабри-Перо резонатора (ФПМ). Для таких мод характерно распространение излучения вдоль оптической оси резонатора под углами к нормали относительно зеркал Фабри-Перо резонатора (естественно сколотой грани 5 с нанесенным просветляющим покрытием и грани 6 с нанесенным отражающим покрытием) меньшими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ФПМ характерны отличные от нуля потери на выход излучения из резонатора. Именно это излучение является полезным при использовании инжекционных лазеров как источников оптического излучения. Структуры мод Фабри-Перо резонатора определяют волноводы, сформированные первым волноводным и эмиттерными (ограничительными) слоями (1, 2, 3) гетероструктуры, полосковым омическим контактом 7 и зеркалами (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Второй тип модовых структур это ЗМ. Для таких мод характерно распространение излучения под углами к нормалям относительно зеркал (5, 6) Фабри-Перо резонатора и боковых ограничительных поверхностей 10 большими, чем угол полного внутреннего отражения. В результате для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. Структуры ЗМ определяют волноводы, сформированные волноводными и эмиттерными (ограничительными) слоями гетероструктуры, полосковым омическим контактом, зеркалами Фабри-Перо резонатора и боковыми ограничительными поверхностями. Выполнение пороговых условий генерации для ФПМ или ЗМ определяет режим работы инжекционного лазера. Когда порог генерации выполнен только для ФПМ, достигается максимальная полезная выходная эффективности и соответственно выходная оптическая мощность растет. При выполнении пороговых условий генерации для ЗМ часть лазерного излучения не выходит наружу и остается внутри инжекционного лазера, как следствие происходит частичное или полное падение выходной оптической мощности и снижение эффективности. В инжекционном лазере порог генерации лазерных мод достигается при выполнении двух условий: равенство модального усиления суммарным оптическим потерям и наличие обратной связи. Первое условие выполняется за счет тока инжекции, протекающего через полосковый омический контакт 7 и создающего инверсную заселенность носителями заряда активной области 4 под полосковым омическим контактом 7. Таким образом, в активной области 4 под полосковым омическим контактом 7 созданы условия для усиления оптического излучения, и эта часть активной области 4 называется областью 9 усиления. Для боковых частей активной области 4 относительно полоскового омического контакта 7 условия для усиления не созданы, т.к. они электрически изолированы от тока инжекции. Однако остается оптическая связь между боковыми частями активной области 4 и областью 9 усиления через общий первый волноводный слой 1. Второе условие для инжекционных лазеров выполняется за счет резонатора, сформированного естественно сколотыми гранями. Естественно сколотые грани формируют два типа резонаторов: резонатор Фабри-Перо образован двумя зеркалами 5, 6 - параллельно сколотыми гранями, резонатор ЗМ образован четырьмя сколотыми гранями, (гранями - зеркалами 5, 6 и ортогональными им гранями - боковыми ограничительными поверхностями 10), ограничивающими инжекционный лазер и получающимися при изготовлении инжекционного лазера путем раскалывания гетероструктуры. В общем виде пороговое условие генерации можно записать как [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:Improving the output characteristics of the inventive injection laser is provided by suppressing the generation of ZM. Injection lasers are characterized by a mode radiation structure, which is calculated using the wave equation [H. Casey, M. Panish. - Lasers on heterostructures. - Moscow, Mir, 1981; L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Two types of mod structures can be distinguished. The first is the Fabry-Perot resonator (FPM) mode. Such modes are characterized by the propagation of radiation along the optical axis of the resonator at angles normal to the Fabry-Perot mirrors of the resonator (naturally, the cleaved face 5 with the antireflection coating and face 6 with the applied reflective coating) are smaller than the angle of total internal reflection. As a result, the PMF is characterized by nonzero losses on the output of radiation from the resonator. It is this radiation that is useful when using injection lasers as sources of optical radiation. The structures of the Fabry-Perot resonator modes are determined by the waveguides formed by the first waveguide and emitter (restrictive) layers of the heterostructure (1, 2, 3), the ohmic strip contact 7, and the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6). The second type of mod structure is ZM. Such modes are characterized by the propagation of radiation at angles to the normals relative to the Fabry-Perot mirror mirrors (5, 6) of the resonator and the lateral limiting surfaces 10 larger than the angle of total internal reflection. As a result, ZM is characterized by zero losses in the output of radiation from the resonator. ZM structures are determined by waveguides formed by waveguide and emitter (restrictive) layers of the heterostructure, a strip ohmic contact, Fabry-Perot mirrors of the resonator, and lateral boundary surfaces. The fulfillment of the threshold generation conditions for the FPM or ZM determines the operation mode of the injection laser. When the generation threshold is fulfilled only for the FPM, the maximum useful output efficiency is achieved and, accordingly, the output optical power increases. When the threshold generation conditions for the ZM are fulfilled, part of the laser radiation does not go outside and remains inside the injection laser, as a result, a partial or complete drop in the output optical power and a decrease in efficiency occur. In an injection laser, the threshold for laser mode generation is achieved when two conditions are satisfied: the modal gain is equal to the total optical loss and feedback is present. The first condition is satisfied due to the injection current flowing through the strip ohmic contact 7 and creating an inverse population by charge carriers of the active region 4 under the strip ohmic contact 7. Thus, in the active region 4 under the strip ohmic contact 7, conditions are created for amplification of optical radiation, and this part of the active region 4 is called the amplification region 9. For the lateral parts of the active region 4 relative to the strip ohmic contact 7, the conditions for amplification are not created, because they are electrically isolated from the injection current. However, there remains an optical connection between the lateral parts of the active region 4 and the amplification region 9 through a common first waveguide layer 1. The second condition for injection lasers is satisfied by a resonator formed by naturally cleaved faces. Naturally cleaved faces form two types of resonators: the Fabry-Perot resonator is formed by two mirrors 5, 6 — parallel cleaved faces, the ZM resonator is formed by four cleaved faces (faces — mirrors 5, 6 and their orthogonal faces — lateral limiting surfaces 10), which limit the injection laser and the resulting in the manufacture of an injection laser by splitting the heterostructure. In general terms, the threshold generation condition can be written as [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:

Figure 00000009
Figure 00000009

где Gmod - модальное усиление, созданное инжектированными в активную область 4 носителями заряда, αi - внутренние оптические потери в области 9 усиления и αout - потери, связанные с выходом лазерного излучения из резонатора. Модальное усиление выражается через материальное усиление (gmat), рассчитываемое через концентрацию инжектированных в активную область 4 носителей заряда [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)], и фактор оптического ограничения моды (Г) в области 9 усиления:where G mod is the modal gain created by the charge carriers injected into the active region 4, α i are the internal optical losses in the gain region 9, and α out are the losses associated with the exit of laser radiation from the cavity. Modal gain is expressed in terms of material gain (g mat ), calculated through the concentration of 4 charge carriers injected into the active region [LAColdren, SWCorzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (NY, John Wiley & Sons, 1995)], and the optical mode confinement factor (G) in gain region 9:

Figure 00000010
Figure 00000010

В общем виде фактор оптического ограничения в области усиления определяет долю энергии лазерной моды, приходящуюся на эту область, и выражается через электрическое поле моды инжекционного лазера E(x, y, z) [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]In general, the optical confinement factor in the amplification region determines the fraction of the laser mode energy attributable to this region and is expressed through the electric field of the injection laser mode E (x, y, z) [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]

Figure 00000011
Figure 00000011

где Vg - объем области 9 усиления, Vm - объем инжекционного лазера. Поле моды описывается в виде произведения [L.A.Coldren, S.W.Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]where Vg is the volume of the amplification region 9, Vm is the volume of the injection laser. The fashion field is described as a product of [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]

Figure 00000012
Figure 00000012

Фактор оптического ограничения моды в области 9 усиления инжекционного лазера выражается через три независимые составляющие фактора оптического ограничения моды в области 9 усиления ГX, ГY, и ГZ (см. фиг.1).The optical mode confinement factor in the gain region 9 of the injection laser is expressed through three independent components of the optical mode confinement factor in the gain region 9 X , G Y , and G Z (see FIG. 1).

Figure 00000013
Figure 00000013

В инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7 ширина полоскового омического контакта (w) превышает длину волны генерации, а зеркала (5, 6) Фабри-Перо резонатора ограничивают область усиления в направлении, параллельном оси резонатора. Это позволяет полю ФПМ быть полностью локализованным в области, ограниченной размерами полоскового омического контакта и длиной резонатора. Это значит для ФПМ ГY=1 и ГZ=1. Электромагнитные волны ФПМ распространяются вдоль оси Фабри-Перо резонатора под углами, меньшими, чем угол полного внутреннего отражения относительно нормали к зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора, и характеризуются потерями на выход излучения из резонатора αout. Составляющая фактора оптического ограничения ГX одинакова для ЗМ и ФПМ и зависит от конструкции лазерной гетероструктуры: состава и толщины первого волноводного и ограничительных слоев (1, 2, 3), а также толщины активной области 4. Для лазерных гетероструктур ГX является фактором оптической моды поперечного волновода в активной области 4 ГQW. Тогда пороговое условие генерации (1) для ФПМ может быть переписано какIn an injection laser with a strip ohmic contact 7, the width of the strip ohmic contact (w) exceeds the generation wavelength, and the Fabry-Perot mirror mirrors (5, 6) limit the gain region in the direction parallel to the cavity axis. This allows the FPM field to be completely localized in the region limited by the dimensions of the strip ohmic contact and the length of the resonator. This means for the FPM Г Y = 1 and Г Z = 1. FPM electromagnetic waves propagate along the Fabry-Perot axis of the resonator at angles smaller than the angle of total internal reflection relative to the normal to the Fabry-Perot mirror mirrors (5, 6) and are characterized by the outgoing radiation loss α out . The component of the optical limiting factor Г X is the same for the ZM and FPM and depends on the design of the laser heterostructure: the composition and thickness of the first waveguide and restrictive layers (1, 2, 3), as well as the thickness of the active region 4. For laser heterostructures, Г X is an optical mode factor transverse waveguide in the active region of 4 G QW . Then the threshold generation condition (1) for the MTF can be rewritten as

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- материальное усиление на длине волны генерации ФПМ;Where
Figure 00000015
- material gain at the FPM generation wavelength;

Figure 00000016
- потери на выход ФПМ;
Figure 00000016
- loss on the exit of the FPM;

αi - внутренние оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях заряда.α i - internal optical loss associated with absorption on free charge carriers.

Чтобы определить пороговое условие генерации для ЗМ, необходимо оценить условия ее распространения в инжекционном лазере. В отличие от ФПМ, электромагнитные волны ЗМ распространяются под углами, большими, чем угол полного внутреннего отражения, относительно нормали к боковым ограничительным поверхностям 10 и зеркалам (5, 6) Фабри-Перо резонатора. Для ЗМ характерны нулевые потери на выход излучения из резонатора. В [С.О.Слипченко, Д.А.Винокуров, А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, А.Д.Бондарев, И.С.Тарасов. - ФТП, 43, 1409 (2009)] экспериментально показано, что в отличие от ФПМ, ЗМ захватывает весь объем инжекционного лазера, включая боковые части относительно полоскового контакта 7. На фиг.4 приведены качественные зависимости от длины волны материального усиления в области 9 усиления под полосковым омическим контактом 7 (gmat) и от оптических потерь (αBGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта. ФПМ с максимальным значением материального усиления

Figure 00000015
на длине волны генерации λFP соответствует достаточно высокое значение потерь на межзонное поглощение в пассивных областях
Figure 00000017
. Как следствие, область распространения ФПМ ограничена только областью под полосковым омическим контактом. Из фиг.4 видно, что смещение в длинноволновую область спектра относительно длины волны генерации ФПМ одновременно ведет к снижению материального усиления в активной области 4 и падению значения оптических потерь (αBGL) в боковых областях относительно полоскового омического контакта 7. Таким образом, вследствие нулевых потерь на выход для ЗМ даже в условиях меньшего значения материального усиления
Figure 00000018
на длине волны генерации для ЗМ может быть достигнут порог генерации. Рассмотрим пороговое условие генерации для ЗМ в инжекционном лазере с полосковым омическим контактом 7. Так как ЗМ захватывает весь объем первого волноводного слоя 1 инжекционного лазера, то фактор оптического ограничения ЗМ для области усиления (ГCM) выглядит следующим образомIn order to determine the threshold generation condition for the ZM, it is necessary to evaluate the conditions of its propagation in the injection laser. Unlike the FPM, the electromagnetic waves of the SM propagate at angles greater than the angle of total internal reflection relative to the normal to the lateral limiting surfaces 10 and the Fabry-Perot cavity mirrors (5, 6). ZM is characterized by zero loss on the output of radiation from the resonator. In [S.O. Slipchenko, D. A. Vinokurov, A. V. Lyutetskiy, N. A. Pikhtin, A. L. Stankevich, N. V. Fetisova, A. D. Bondarev, I. S. Tarasov. - FTP, 43, 1409 (2009)] it was experimentally shown that, unlike the FPM, the ZM captures the entire volume of the injection laser, including the side parts relative to the strip contact 7. Figure 4 shows the qualitative dependences on the wavelength of the material gain in the amplification region 9 under the strip ohmic contact 7 (g mat ) and from optical loss (α BGL ) in the side regions relative to the strip ohmic contact. MTF with the maximum value of material gain
Figure 00000015
at the generation wavelength λ FP corresponds to a fairly high value of the loss in interband absorption in the passive regions
Figure 00000017
. As a result, the region of propagation of the FMP is limited only to the region under the strip ohmic contact. Figure 4 shows that the shift to the long-wavelength region of the spectrum relative to the FPM generation wavelength simultaneously leads to a decrease in material gain in the active region 4 and a decrease in the optical loss (α BGL ) in the side regions relative to the strip ohmic contact 7. Thus, due to the zero output losses for ZM even in the conditions of a lower value of material gain
Figure 00000018
at the generation wavelength for ZM, the generation threshold can be reached. Let us consider the threshold generation condition for the ZM in the injection laser with a strip ohmic contact 7. Since the ZM captures the entire volume of the first waveguide layer 1 of the injection laser, the optical limitation factor of the ZM for the gain region (Г CM ) is as follows

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области 9 усиления для ЗМ. Как показано выше (и подтверждено экспериментально), длина λCM волны генерации ЗМ смещена в низкоэнергетическую область спектра относительно ФПМ. В результате материальное усиление ЗМ (
Figure 00000018
) может быть представлено как:Where
Figure 00000020
- the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region 9 for ZM. As shown above (and confirmed experimentally), the length λ CM of the ZM generation wave is shifted to the low-energy region of the spectrum relative to the MTF. As a result, material amplification of ZM (
Figure 00000018
) can be represented as:

Figure 00000021
Figure 00000021

где Δ - расстройка материального усиления, определяемая как разность между материальными усилениями ФПМ и ЗМ. Оптические потери для ЗМ αCM можно выразить как:where Δ is the detuning of material amplification, defined as the difference between the material amplifications of the FPM and ZM. Optical loss for ZM α CM can be expressed as:

Figure 00000022
Figure 00000022

величина Δα учитывает потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях, межзонным поглощением и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта 7. Так как оптические потери на выход излучения для ЗМ равны нулю, то в выражении (9) они не учитываются.the quantity Δα takes into account losses associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities, interband absorption, and absorption by free charge carriers in the side parts of the injection laser relative to the strip ohmic contact 7. Since the optical loss to the radiation output for ZM is zero, then in expression (9) they are not taken into account.

На основании вышесказанного пороговые условия для ЗМ примут вид:Based on the foregoing, the threshold conditions for ZM will take the form:

Figure 00000023
Figure 00000023

Принимая значение Δ=0 с учетом (3) получаем неравенство, удовлетворение которого подавляет генерацию ЗМ в известных инжекционных лазерахTaking the value Δ = 0, taking into account (3), we obtain an inequality, the satisfaction of which suppresses the generation of ZMs in known injection lasers

Figure 00000024
Figure 00000024

Созданная по меньшей мере в первом волноводном слое 1 вне области 8 инжекции по меньшей мере одна легированная область 13 позволяет увеличить оптические потери для ЗМ на величину

Figure 00000025
. Увеличение потерь для ЗМ до величин, при которых выполняется указанное неравенство, позволяет подавить генерацию ЗМ в заявляемом инжекционном лазере. Требуемая для подавления генерации ЗМ величина внутренних оптических потерь в созданной легированной области 13 подбирается путем выбора ее размеров и положения, решая волновое уравнение, что определяет значение
Figure 00000026
, а также путем выбора концентрации и типа легирующей примеси.At least one doped region 13 created at least in the first waveguide layer 1 outside the injection region 8 can increase the optical loss for ZM by
Figure 00000025
. The increase in losses for ZM to values at which the specified inequality is satisfied, allows to suppress the generation of ZM in the inventive injection laser. The amount of internal optical loss required to suppress the generation of ZM in the created doped region 13 is selected by choosing its size and position, solving the wave equation, which determines the value
Figure 00000026
, as well as by choosing the concentration and type of dopant.

Заявляемый инжекционный лазер работает следующим образом. Через полосковый омический контакт 7 заявляемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера (лазерного диода) соответствует прямому смещению p-n-перехода. При превышении тока, пропускаемого через инжекционный лазер, порогового значения, через естественно сколотую грань - зеркало 5 с нанесенным просветляющим покрытием - выходит лазерное излучение Фабри-Перо моды. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины пропускаемого через лазерную гетероструктуру тока. Спонтанное излучение на линии генерации замкнутой моды поглощается в легированной области 13 (см. фиг.2). Это подавляет обратную связь для замкнутой моды. В результате сохраняется генерация только мод Фабри-Перо резонатора, что ведет к сохранению линейности зависимости выходной мощности от тока накачки и увеличения выходной оптической мощности.The inventive injection laser operates as follows. An electrical current is passed through a strip ohmic contact 7 of the inventive injection laser (see FIG. 2) in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the operation mode of the injection laser (laser diode) corresponds to the forward bias of the p-n junction. When the current passed through the injection laser is exceeded by a threshold value through a naturally chipped face — mirror 5 with an antireflection coating — the Fabry-Perot mode laser radiation comes out. The output radiation power, in addition to the structure parameters, depends on the magnitude of the current transmitted through the laser heterostructure. Spontaneous emission on the generation line of the closed mode is absorbed in the doped region 13 (see figure 2). This suppresses closed loop feedback. As a result, only the Fabry-Perot resonator modes are retained, which preserves the linearity of the dependence of the output power on the pump current and an increase in the output optical power.

Пример. Были проведены сравнительные испытания известного инжекционного лазера и заявляемого инжекционного лазера. Был изготовлен известный инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающей волноводный слой GaAs толщиной 0,6 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al0.3Ga0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al0.3Ga0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In0.260.74Аs толщиной 8,5 нм, оптический Фабри-Перо резонатор длинной 1,5 мм, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием, имеющим коэффициент отражения 5%, и гранью с нанесенным отражающим покрытием, имеющим коэффициент отражения 95%, полосковый омический контакт шириной 100 мкм, расположенный в центре между боковыми естественно сколотыми гранями, расстояние между которыми 500 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости. Для известного инжекционного лазера значения внутренних оптических потерь и потерь на выход излучения для мод Фабри-Перо резонатора составили 2 см-1 и 10.15 см-1, соответственно. Через полосковый контакт известного инжекционного лазера (см. фиг.1) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для известного инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 3), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 4). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 5,4 Вт, при импульсном токе накачке 34,5 Вт.Example. Comparative tests have been conducted of the known injection laser and the inventive injection laser. Injection was made known laser based heterostructure waveguide layer consisting of GaAs 0,6 um thick enclosed between the emitter of wide-Al 0.3 Ga 0.7 As p-type conductivity and a thickness of 1.5 microns wide-emitter Al 0.3 Ga 0.7 As n-type conductivity in thickness 1.5 μm, the active region consisting of one In 0.26 Ga 0.74 Аs quantum-well active layer with a thickness of 8.5 nm, a Fabry-Perot optical resonator 1.5 mm long, formed naturally by a cleaved face with an antireflection coating having a reflection coefficient 5%, and the edge with a reflective coating having a reflectivity of 95%, a strip ohmic contact 100 μm wide, located in the center between laterally naturally chipped faces, the distance between which is 500 μm, an n-type GaAs substrate. For a well-known injection laser, the values of internal optical losses and losses at the output of radiation for the Fabry-Perot resonator modes were 2 cm -1 and 10.15 cm -1 , respectively. An electric current was passed through a strip contact of a known injection laser (see FIG. 1) in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operating mode corresponds to a forward bias of the pn junction. In the first version of the pump, a continuous current was passed; in the second version of the pump, a pulse current was passed with a current pulse duration of 100 ns and a frequency of 10 kHz. For a known injection laser, the dependence of the optical power exiting through the face coated with an antireflection coating on the continuous pump current is shown in Fig. 5 (curve 3), for a pulsed pump current it is shown in Fig. 5 (curve 4). The output optical power reached its maximum value with a continuous pump current of 5.4 W, and with a pulsed pump current of 34.5 W.

Заявляемый инжекционный лазер отличался от известного инжекционного лазера тем, что в волноводном слое была сформирована легированная область. Легирование осуществлялось цинком, примесью p-типа электропроводности, до концентрации p=1018 см-3 с сечением поглощения на свободных дырках в легированной области σp=7*10-18 см2. Ближайшая к области инжекции граница легированной области располагалась на расстоянии 100 мкм. Ширина области легирования составляла 100 мкм, фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области

Figure 00000026
=0.2, значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ
Figure 00000027
=0.2. При выбранных параметрах области легирования неравенствоThe inventive injection laser was different from the known injection laser in that a doped region was formed in the waveguide layer. Doping was carried out with zinc, an admixture of p-type electrical conductivity, to a concentration of p = 10 18 cm -3 with an absorption cross section on free holes in the doped region σ p = 7 * 10 -18 cm 2 . The boundary of the doped region closest to the injection region was located at a distance of 100 μm. The width of the doping region was 100 μm; the optical restriction factor of ZM in the doped region
Figure 00000026
= 0.2, the value of the component of the optical limiting factor Г Y in the amplification region for ZM
Figure 00000027
= 0.2. With the chosen parameters of the doping region, the inequality

Figure 00000028
Figure 00000028

выполняется. Через полосковый омический контакт предлагаемого инжекционного лазера (см. фиг.2) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускали электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствовал прямому смещению p-n-перехода. В первом варианте накачки пропускали непрерывный ток, во втором варианте накачки пропускали импульсный ток с длительностью импульсов тока 100 нс и частотой 10 кГц. Для заявляемого инжекционного лазера зависимость оптической мощности, выходящей через грань с нанесенным просветляющим покрытием, от непрерывного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 5), для импульсного тока накачки показана на фиг.5 (кривая 6). Максимального значения выходная оптическая мощность достигала при непрерывном токе накачки 8,8 Вт, при импульсном токе накачке 54,5 Вт. Значения выходной оптической мощности, полученные для инжекционного лазера, оказались выше, чем у известного инжекционного лазера. Измерения выходной оптической мощности во времени показали, что временная стабильность сигнала заявляемого инжекционного лазера выше, чем у известного инжекционного лазера. Таким образом, заявляемый инжекционный лазер имеет увеличенную выходную оптическую мощность в непрерывном и импульсном режиме, а также обладает повышенной временной стабильностью выходной оптической мощности.performed. An electric current was passed through the strip ohmic contact of the proposed injection laser (see Fig. 2) in the direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operation mode corresponded to the forward bias of the pn junction. In the first version of the pump, a continuous current was passed; in the second version of the pump, a pulse current was passed with a current pulse duration of 100 ns and a frequency of 10 kHz. For the inventive injection laser, the dependence of the optical power exiting through the face with the antireflection coating on the continuous pump current is shown in Fig. 5 (curve 5), for a pulsed pump current it is shown in Fig. 5 (curve 6). The output optical power reached its maximum value with a continuous pump current of 8.8 W, with a pulsed pump current of 54.5 W. The output optical power values obtained for the injection laser turned out to be higher than that of the known injection laser. Measurements of the output optical power over time showed that the temporal stability of the signal of the inventive injection laser is higher than that of the known injection laser. Thus, the inventive injection laser has an increased output optical power in continuous and pulsed mode, and also has increased temporal stability of the output optical power.

Claims (13)

1. Инжекционный лазер на основе гетероструктуры, включающий первый волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую из, по меньшей мере, одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор и полосковый омический контакт, под которым расположена область инжекции, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнена, по меньшей мере, одна легированная область, при этом фактор оптического ограничения замкнутой моды (ЗМ) в легированной области и концентрация свободных носителей заряда в легированной области удовлетворяют соотношению
Figure 00000029

где
Figure 00000002
- значение составляющей фактора оптического ограничения ГY в области усиления для ЗМ, отн. ед.;
Figure 00000003
- потери на выход Фабри-Перо моды, см-1;
αi - внутренние оптические потери на поглощение на свободных носителях заряда в области усиления, см-1;
Δα - оптические потери, связанные с рассеянием излучения ЗМ на неоднородностях (αSC), межзонным поглощением (αBGL) и поглощением на свободных носителях заряда в боковых частях инжекционного лазера относительно полоскового омического контакта, см-1;
Figure 00000004
- фактор оптического ограничения ЗМ в легированной области, отн. ед.;
σn - сечение поглощения на свободных электронах в легированной области, см2;
n - концентрация свободных электронов в легированной области, см-3;
σp - сечение поглощения на свободных дырках в легированной области, см2;
p - концентрация свободных дырок в легированной области, см-3.
1. Injection laser based on a heterostructure, comprising a first waveguide layer, enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, an optical Fabry A pen resonator and a strip ohmic contact, under which an injection region is located, characterized in that at least one doped region is made in at least one doped region at least in the first waveguide layer outside the injection region, When this optical confinement factor closed fashion (ZM) in the doped region and the free charge carrier concentration in the doped region satisfy the relation
Figure 00000029

Where
Figure 00000002
- the value of the constituent factor of the optical limitation G Y in the amplification region for ZM, rel. units;
Figure 00000003
- losses at the exit of the Fabry-Perot fashion, cm -1 ;
α i - internal optical absorption loss on free charge carriers in the amplification region, cm -1 ;
Δα is the optical loss associated with the scattering of ZM radiation by inhomogeneities (α SC ), interband absorption (α BGL ) and absorption on free charge carriers in the sides of the injection laser relative to the strip ohmic contact, cm -1 ;
Figure 00000004
- factor of optical limitation of ZM in the doped region, rel. units;
σ n is the absorption cross section for free electrons in the doped region, cm 2 ;
n is the concentration of free electrons in the doped region, cm -3 ;
σ p is the absorption cross section for free holes in the doped region, cm 2 ;
p is the concentration of free holes in the doped region, cm -3 .
2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что расстояние между ближайшими границами легированной области и области инжекции не меньше 10 мкм.2. The injection laser according to claim 1, characterized in that the distance between the nearest boundaries of the doped region and the injection region is not less than 10 μm. 3. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что ширина легированной области не меньше 10 мкм.3. The injection laser according to claim 1, characterized in that the width of the doped region is not less than 10 microns. 4. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.4. The injection laser according to claim 1, characterized in that the doped region contains, as a dopant of n-type conductivity, an element selected from the group: Si, Te, Ge, Sn, or a combination thereof. 5. Инжекционный лазер по п.4, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси n-типа проводимости не меньше 1018 см-3.5. The injection laser according to claim 4, characterized in that the concentration of the dopant of the n-type conductivity is not less than 10 18 cm -3 . 6. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.6. The injection laser according to claim 1, characterized in that the doped region contains as an alloying impurity of p-type conductivity an element selected from the group: C, S, Mg, Be, Zn, or a combination thereof. 7. Инжекционный лазер по п.6, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси p-типа проводимости не меньше 1017 см-3.7. The injection laser according to claim 6, characterized in that the concentration of the dopant of the p-type conductivity is not less than 10 17 cm -3 . 8. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область сформирована ионной бомбардировкой.8. The injection laser according to claim 1, characterized in that the doped region is formed by ion bombardment. 9. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что легированная область сформирована диффузией примеси из поверхностных слоев в волноводный слой.9. The injection laser according to claim 1, characterized in that the doped region is formed by diffusion of the impurity from the surface layers into the waveguide layer. 10. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в первом волноводном слое вне области инжекции выполнены две легированные области, расположенные в боковых частях инжекционного лазера.10. The injection laser according to claim 1, characterized in that at least in the first waveguide layer outside the injection region there are two doped regions located in the lateral parts of the injection laser. 11. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что содержит второй волноводный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей ширины запрещенной зоны первого волноводного слоя, а активная область расположена во втором волноводном слое.11. The injection laser according to claim 1, characterized in that it contains a second waveguide layer with a band gap less than the band gap of the first waveguide layer, and the active region is located in the second waveguide layer. 12. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что продольный размер легированной области меньше длины оптического Фабри-Перо резонатора.12. The injection laser according to claim 1, characterized in that the longitudinal size of the doped region is less than the length of the optical Fabry-Perot resonator. 13. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов А3B5. 13. The injection laser according to claim 1, characterized in that the heterostructure is made in a system of solid solutions A 3 B 5 .
RU2010144644/28A 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser RU2444101C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2444101C1 true RU2444101C1 (en) 2012-02-27

Family

ID=45852434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010144644/28A RU2444101C1 (en) 2010-11-02 2010-11-02 Injection laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2444101C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2540233C1 (en) * 2013-10-09 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Injection laser having multiwave modulated emission

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0735635A2 (en) * 1995-03-31 1996-10-02 Canon Kabushiki Kaisha Optical semiconductor apparatus, driving method therefor, light source apparatus and optical communication system using the same
RU2259620C1 (en) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Injection laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
WO2010060998A2 (en) * 2008-11-28 2010-06-03 Pbc Lasers Gmbh Method for improvement of beam quality and wavelength stabilized operation of a semiconductor diode laser with an extended waveguide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0735635A2 (en) * 1995-03-31 1996-10-02 Canon Kabushiki Kaisha Optical semiconductor apparatus, driving method therefor, light source apparatus and optical communication system using the same
RU2259620C1 (en) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Injection laser
RU2309501C1 (en) * 2006-09-06 2007-10-27 Закрытое акционерное общество "Полупроводниковые приборы" Semiconductor injection laser
WO2010060998A2 (en) * 2008-11-28 2010-06-03 Pbc Lasers Gmbh Method for improvement of beam quality and wavelength stabilized operation of a semiconductor diode laser with an extended waveguide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2540233C1 (en) * 2013-10-09 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Injection laser having multiwave modulated emission

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Slipchenko et al. Ultralow internal optical loss in separate-confinement quantum-well laser heterostructures
US7190872B2 (en) Semiconductor optical amplifier and optical module using the same
JP5717726B2 (en) DFB laser diode with lateral coupling for high output power
US20070223549A1 (en) High-Power Optoelectronic Device with Improved Beam Quality Incorporating A Lateral Mode Filtering Section
US4845725A (en) Window laser with high power reduced divergence output
US9350138B2 (en) Single-step-grown transversely coupled distributed feedback laser
AU4992999A (en) High power laterally antiguided semiconductor light source with reduced transverse optical confinement
US6714574B2 (en) Monolithically integrated optically-pumped edge-emitting semiconductor laser
EP1063743A1 (en) Semi-conductor optical amplifier
Song et al. High-power broad-band superluminescent diode with low spectral modulation at 1.5-μm wavelength
US8798109B2 (en) High-efficiency diode laser
RU2443044C1 (en) Injection laser
US7251381B2 (en) Single-mode optical device
US8660160B2 (en) Semiconductor laser element and method of manufacturing the same
RU2444101C1 (en) Injection laser
US20060171440A1 (en) Apparatus for generating improved laser beam
RU2540233C1 (en) Injection laser having multiwave modulated emission
RU2259620C1 (en) Injection laser
CN210245533U (en) Multi-quantum well structure with different widths for widening spectral width of super-radiation light-emitting diode
RU2361343C2 (en) Impulse injection laser
Kallenbach et al. High-power high-brightness ridge-waveguide tapered diode lasers at 14xx nm
RU2587097C1 (en) Injection laser
CN112397619A (en) Multi-quantum well structure with different widths for widening spectral width of super-radiation light-emitting diode
JPH05259506A (en) Super/light-emitting semiconductor diode and manufacture therefor
JPH0945986A (en) Semiconductor laser element