RU2606925C1 - Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam - Google Patents
Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2606925C1 RU2606925C1 RU2015145869A RU2015145869A RU2606925C1 RU 2606925 C1 RU2606925 C1 RU 2606925C1 RU 2015145869 A RU2015145869 A RU 2015145869A RU 2015145869 A RU2015145869 A RU 2015145869A RU 2606925 C1 RU2606925 C1 RU 2606925C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide layer
- active
- layer
- passive
- active element
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3413—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising partially disordered wells or barriers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к полупроводниковым лазерам с поперечной накачкой электронным или оптическим возбуждающим пучком, которые могут быть использованы при создании систем посадки самолетов и проводки судов, в интерферометрии, дальнометрии, в системах отображения информации, для мониторинга окружающей среды, в медицине и т.д.The invention relates to the field of quantum electronics, and more particularly to transverse-pumped semiconductor lasers with an electronic or optical exciting beam, which can be used to create aircraft landing systems and ship wiring, in interferometry, long-range measurement, information display systems, for environmental monitoring, in medicine, etc.
Известны активные элементы лазеров с поперечной накачкой электронным пучком на основе полупроводниковых монокристаллов, представляющие собой прямоугольный параллелепипед из полупроводникового материала с плоскопараллельными боковыми гранями, образующими оптический резонатор (Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. «Полупроводниковые лазеры». М.: «Наука», 1976). Грань параллелепипеда, перпендикулярная этим поверхностям, облучается электронным пучком - источником накачки лазера, противоположной гранью параллелепипед укрепляется (припаивается, приклеивается) на хладопроводе. Недостатком такого лазера является недостаточно высокая мощность и эффективность генерации, особенно при относительно низких (10-20 кэВ) значениях энергии U-электронного пучка, обусловленная в первую очередь большой величиной пороговой плотности тока пучка. Максимальная импульсная мощность такого лазера ограничена разрушением торца образца собственным лазерным излучением.Active elements of transverse-pumped electron beam lasers based on semiconductor single crystals are known, which are a rectangular parallelepiped made of a semiconductor material with plane-parallel side faces forming an optical resonator (Bogdankevich O.V., Darznek S.A., Eliseev P.G. "Semiconductor lasers ". M.:" Science ", 1976). The parallelepiped face, perpendicular to these surfaces, is irradiated with an electron beam - a laser pump source, the opposite side of the parallelepiped is strengthened (soldered, glued) on the cold conductor. The disadvantage of such a laser is the insufficiently high power and generation efficiency, especially at relatively low (10–20 keV) values of the energy of the U-electron beam, which is primarily due to the large threshold threshold current density of the beam. The maximum pulsed power of such a laser is limited by the destruction of the end face of the sample by its own laser radiation.
Для снижения пороговой плотности тока возможно использование гетероструктур, в частности квантоворазмерных структур, что экспериментально продемонстрировано в целом ряде работ (например, М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, С.В. Иванов, С.И. Гронин, И.В. Седова, С.В. Сорокин, П.С. Копьев. «Лазер зеленого диапазона на основе ZnSe-содержащих структур с накачкой электронным пучком с энергией менее 10 кэВ». Письма в ЖТФ, 2007, 33, 24, стр. 1-7). Активный элемент такого полупроводникового лазера представляет собой выращенную на подложке гетероструктуру, состоящую из чередующихся слоев полупроводниковых материалов с различными значениями ширины запрещенной зоны (и показателя преломления). В таких структурах за счет диффузии и дрейфа неравновесных носителей в активную область удается существенно увеличить их концентрацию в активной области лазера, а за счет организации оптического волновода - значительно уменьшить оптические потери на длине волны генерации. Все это вместе приводит к значительному уменьшению пороговой плотности тока и рабочей энергии электронов накачки. Однако в лазерах с поперечной накачкой, выполненных на основе гетероструктур, нельзя получить больших значений импульсной мощности. Ограничения выходной мощности, как и в лазерах на основе полупроводниковых монокристаллов, связаны с оптической прочностью материала активного элемента. Действительно, при плотности мощности оптического излучения порядка Ркр=107 Вт/см2 (эта величина является характерной для таких материалов, как GaAs, ZnO, и слегка зависит от материала активного элемента, от длительности импульса) активный элемент разрушается. Таким образом, для увеличения выходной мощности необходимо увеличивать площадь торца лазера, с которого выходит оптическое излучение. В лазерах с поперечной накачкой эта площадь S=hd, где d - поперечный размер накачиваемой области, h - линейный размер области, из которой выходит излучение лазера. Величина h в лазерах на основе гетероструктур немного превосходит размер оптического волновода, сформированного для ограничения оптического излучения в резонаторе лазера и, как правило, составляет не более ~1 мкм. Ограничения на величину d связаны с возрастанием влияния суперлюминесценции, т.е. усиления спонтанного излучения в активном элементе в направлениях, не совпадающих с осью оптического резонатора, на выходную мощность и эффективность лазера. Типичное значение величины d равно 0.2-0.5 мм. Таким образом, выходная мощность с одного лазера ограничена величиной Р=hdРкр. Для приведенных выше численных значений величин d, h и Ркр значение предельной мощности Р составляет 20-50 Вт.To reduce the threshold current density, it is possible to use heterostructures, in particular quantum-sized structures, which has been experimentally demonstrated in a number of works (for example, M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, D.V. Peregudov, V. B. Studenov, S.V. Ivanov, S.I. Gronin, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, P.S. Kopiev. “Green laser based on ZnSe-containing structures pumped by an electron beam with energy less than 10 keV. ”Letters to ZhTF, 2007, 33, 24, p. 1-7). The active element of such a semiconductor laser is a heterostructure grown on a substrate, consisting of alternating layers of semiconductor materials with different values of the band gap (and refractive index). In such structures, due to the diffusion and drift of nonequilibrium carriers into the active region, it is possible to significantly increase their concentration in the active region of the laser, and due to the organization of the optical waveguide, to significantly reduce optical losses at the generation wavelength. All this together leads to a significant decrease in the threshold current density and the working energy of the pump electrons. However, in transverse-pumped lasers based on heterostructures, one cannot obtain large pulsed power values. Limitations of the output power, as in lasers based on semiconductor single crystals, are associated with the optical strength of the material of the active element. Indeed, when the power density of optical radiation is of the order of P cr = 10 7 W / cm 2 (this value is characteristic of materials such as GaAs, ZnO, and slightly depends on the material of the active element, on the pulse duration), the active element is destroyed. Thus, in order to increase the output power, it is necessary to increase the area of the end of the laser from which the optical radiation exits. In transverse-pumped lasers, this area is S = hd, where d is the transverse size of the pumped region, and h is the linear size of the region from which the laser radiation emerges. The value of h in lasers based on heterostructures is slightly larger than the size of the optical waveguide formed to limit the optical radiation in the laser cavity and, as a rule, is no more than ~ 1 μm. The limitations on d are associated with an increase in the influence of superluminescence, i.e. amplification of spontaneous emission in the active element in directions that do not coincide with the axis of the optical resonator to the output power and laser efficiency. A typical value of d is 0.2-0.5 mm. Thus, the output power from one laser is limited by the value of P = hdP cr . For the above numerical values of the quantities d, h and P cr the value of the limiting power P is 20-50 watts.
В лазерах на основе полупроводниковых монокристаллов в 80-х годах прошлого века для увеличения выходной мощности было предложено использовать объемные разонаторы (С.С. Демидов, Е.В. Бибиков, А.Н. Власов, Г.С. Козина, Г. Сайгина. «Резонаторы с увеличенной площадью выходных зеркал в электроннолучевых квантовых генераторах» ж. «Квантовая электроника». Том 1, №5, 1974, стр. 1112-1116).In lasers based on semiconductor single crystals in the 80s of the last century, to increase the output power, it was proposed to use volumetric odonators (S.S. Demidov, E.V. Bibikov, A.N. Vlasov, G.S. Kozina, G. Saigina “Resonators with an increased area of output mirrors in electron-beam quantum generators.” “Quantum Electronics.
Такой активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой 1 содержит по меньшей мере одну прямоугольную пластину 2, представляющую собой выращенный кристалл из полупроводникового материала, имеющий первую поверхность 3, облучаемую электронами, вторую поверхность 4, параллельную первой, которой она закреплена на подложке (хладопроводе) 5, и две боковые поверхности 6 (зеркала резонатора), образующие оптический резонатор (фиг. 1). У пластины 2 полупроводникового материала обе параллельные поверхности 3 и 4 отполированы, а зеркала резонатора для выхода 7 излучения, как обычно, получены путем скалывания. Толщина пластин составляла 0,1-0,4 мм. Длину пластины брали равной нескольким миллиметрам (1,5-6 мм). Поверхность 3 кристалла облучалась потоком быстрых электронов. Возбужденный (активный) слой 8 имел толщину 15-20 мкм. Остальная часть слоя 9 (невозбужденная) составляла пассивную область. Описанный выше резонатор был изготовлен из полированной с двух сторон пластинки GaAs, легированной Те до концентрации носителей 2-1018 см-3. Пластинка была ориентирована по плоскости (100). Образец закреплялся на подложке (хладопроводе) 5, охлаждаемом жидким азотом.Such an active element of a transverse-pumped
Это решение принято в качестве прототипа.This decision is made as a prototype.
В таком лазере (фиг. 1) усиление происходит в слое полупроводника, толщина которого определяется глубиной проникновения d1 (толщина приповерхностного слоя)электронов в кристалл, а излучение выходит из кристалла из области, определяемой геометрическими размерами объемного резонатора и значительно (более чем на порядок) превосходящей величину d1. Благодаря этому максимальная мощность излучения, которая может быть достигнута в лазере, значительно увеличивается. При использовании для накачки электронов с энергией 100 кэВ были получены значения пиковой мощности 1,7 кВт с одиночного лазера и около 100 кВт при использовании лазерной сборки (С.С. Демидов, Г.С. Козина, Л.Н. Курбатов и др. «Объемные волноводные резонаторы для УФ области спектра». Ж-л «Квантовая электроника», 10, 4, 1983, стр. 880-883).In such a laser (Fig. 1), amplification occurs in a semiconductor layer, the thickness of which is determined by the penetration depth d 1 (thickness of the surface layer) of electrons into the crystal, and the radiation leaves the crystal from the region determined by the geometric dimensions of the volume resonator and significantly (more than an order of magnitude) ) exceeding the value of d 1 . Due to this, the maximum radiation power that can be achieved in the laser is significantly increased. When using electrons with an energy of 100 keV for pumping, the values of the peak power of 1.7 kW from a single laser and about 100 kW using a laser assembly were obtained (S.S. Demidov, G.S. Kozina, L.N. Kurbatov, etc. “Volumetric waveguide resonators for the UV spectral region.” Journal of Quantum Electronics, 10, 4, 1983, pp. 880-883).
Недостатком такой конструкции является, во-первых, то, что оптическое лазерное излучение с энергией кванта, близкой к значению ширины запрещенной зоны кристалла (что является характерным для полупроводниковых лазеров на основе монокристаллов), испытывает значительное поглощение в невозбужденной части объемного резонатора (как правило, коэффициент поглощения составляет величину порядка 30-100 см-1). Это приводит к увеличению потерь света и, соответственно, к возрастанию порогового коэффициента усиления и пороговой плотности тока. Потери можно уменьшить путем увеличения соотношения глубины проникновения электронов к толщине пластины. Но для этого приходится использовать электроны с высокой энергией, так как глубина проникновения электронов в кристалл возрастает с увеличением их энергии. Другим недостатком рассмотренной выше конструкции является то, что в монокристаллах вблизи поверхности, облучаемой электронным пучком, всегда присутствует приповерхностный нарушенный слой со значительной концентрацией дефектов-центров безызлучательной рекомбинации. Из-за этого для накачки также приходится использовать электроны с высокой энергией, глубина проникновения которых в образец превышает размер этого слоя.The disadvantage of this design is, firstly, that optical laser radiation with a quantum energy close to the crystal gap (which is characteristic of single-crystal semiconductor lasers) experiences significant absorption in the unexcited part of the cavity resonator (as a rule, the absorption coefficient is about 30-100 cm -1 ). This leads to an increase in light loss and, accordingly, to an increase in the threshold gain and threshold current density. Losses can be reduced by increasing the ratio of the electron penetration depth to the plate thickness. But for this it is necessary to use electrons with high energy, since the depth of penetration of electrons into the crystal increases with increasing their energy. Another drawback of the construction considered above is that in single crystals near the surface irradiated by an electron beam, there is always a surface disturbed layer with a significant concentration of defect centers of nonradiative recombination. Because of this, high-energy electrons also have to be used for pumping, the penetration depth of which into the sample exceeds the size of this layer.
Целью настоящего изобретения является разработка конструкции лазера, работающего при относительно низких значениях энергии электронов накачки, но обладающих повышенной выходной мощностью.The aim of the present invention is to develop a laser design that operates at relatively low values of the energy of the pump electrons, but with an increased output power.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении выходной мощности излучения при снижении энергии электронов накачки.The present invention aims to achieve a technical result, which consists in increasing the output radiation power while reducing the energy of the pump electrons.
Указанный технический результат достигается тем, что в активном элементе полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком, содержащем, прямоугольную в плане пластину из полупроводникового материала, имеющую первую поверхность, облучаемую электронами, вторую поверхность, параллельную первой, которой она закреплена на подложке, и две боковые поверхности, представляющие собой поверхности, полученные от скалывания, и образующие оптический резонатор, пластина представляет собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру, имеющую волноводный слой, расположенный вблизи первой поверхности, представляющую собой необработанную естественно выращенную поверхность, и имеющий оптическую связь с активным волноводным слоем пассивный волноводный слой с коэффициентом поглощения генерируемого в оптическом резонаторе излучения, меньшим коэффициента поглощения в активном волноводном слое, расположенный между активным волноводным слоем и подложкой, а толщина пассивного волноводного слоя превышает толщину активного волноводного слоя в 2-200 раз.The specified technical result is achieved by the fact that in the active element of a semiconductor laser with transverse pumping by an electron beam, containing a rectangular plate of semiconductor material having a first surface irradiated by electrons, a second surface parallel to the first one by which it is mounted on the substrate, and two side surfaces, which are surfaces obtained from spalling, and forming an optical resonator, the plate is a multilayer semiconductor heterost a structure having a waveguide layer located near the first surface, which is an unprocessed naturally grown surface, and having an optical connection with the active waveguide layer, a passive waveguide layer with an absorption coefficient of radiation generated in the optical resonator lower than the absorption coefficient in the active waveguide layer located between the active waveguide layer and substrate, and the thickness of the passive waveguide layer exceeds the thickness of the active waveguide layer by 2-200 times.
При этом гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности приповерхностный слой, активный волноводный слой, промежуточный слой, пассивный волноводный слой и буферный слой, причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного и буферного слоев.Moreover, the heterostructure may contain a near-surface layer sequentially located from the first surface, an active waveguide layer, an intermediate layer, a passive waveguide layer and a buffer layer, the refractive index of the active waveguide layer being greater than the refractive indices of the surface and intermediate layers, and the refractive index of the passive waveguide layer being greater than the refractive indices intermediate and buffer layers.
Или гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности приповерхностный слой, активный волноводный слой, промежуточный слой, пассивный волноводный слой и подложку, причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного слоя и подложки.Or, the heterostructure may contain a surface layer sequentially located from the first surface, an active waveguide layer, an intermediate layer, a passive waveguide layer and a substrate, the refractive index of the active waveguide layer being greater than the refractive indices of the surface and intermediate layers, and the refractive index of the passive waveguide layer being greater than the refractive indices of the intermediate layer and substrates.
А активный волноводный слой может иметь субструктуру, содержащую слои, являющиеся двумерными энергетическими квантовыми ямами для неравновесных носителей, либо слои с одномерными энергетическими ямами - квантовыми проволоками, либо слои с нульмерными энергетическими ямами - квантовыми точками.And the active waveguide layer can have a substructure containing layers that are two-dimensional energy quantum wells for nonequilibrium carriers, or layers with one-dimensional energy wells - quantum wires, or layers with zero-dimensional energy wells - quantum dots.
На одну из боковых поверхностей пластины может быть нанесено высокоотражающее покрытие, а на другую боковую поверхность нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение в области выхода пассивного волноводного слоя на эту поверхность и высокоотражающее на остальной площади этой боковой поверхности.A highly reflective coating may be applied to one of the side surfaces of the wafer, and a coating partially passing the generated radiation in the exit region of the passive waveguide layer onto this surface and highly reflective in the remaining area of this side surface may be applied to the other side surface.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
На фиг. 1 показано схематическое изображение активного элемента, представленного в прототипе;In FIG. 1 shows a schematic representation of the active element shown in the prototype;
фиг. 2 показан общий вид предлагаемого активного элемента на примере структуры GaN/InGaN/AlGaN, показывающей пространственную зависимость показателя преломления слоев структуры;FIG. 2 shows a General view of the proposed active element on the example of a GaN / InGaN / AlGaN structure, showing the spatial dependence of the refractive index of the layers of the structure;
фиг. 3 показано схематическое изображение активного элемента лазера с поперечной накачкой электронным пучком с активным и пассивным волноводами.FIG. Figure 3 shows a schematic representation of an active element of a laser with transverse pumping by an electron beam with active and passive waveguides.
Согласно настоящему изобретению рассматривается новая конструкция активного элемента полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком.According to the present invention, a novel design of an active element of a transverse pumped electron beam semiconductor laser is considered.
Одной из главных задач создания малогабаритных электронно-лучевых лазеров является повышение мощности светового излучения при использовании пучка быстрых электронов сравнительно небольшой энергии (десятки килоэлектронвольт). Такая постановка задачи предопределяет выбор так называемой торцовой излучающей мишени, работающей в обычном режиме поперечного возбуждения, при котором зеркала резонатора перпендикулярны поверхности, бомбардируемой электронами.One of the main tasks of creating small-sized electron beam lasers is to increase the power of light radiation when using a beam of fast electrons of relatively low energy (tens of kiloelectron-volts). Such a statement of the problem determines the choice of the so-called end emitting target operating in the usual transverse excitation mode, in which the cavity mirrors are perpendicular to the surface bombarded by electrons.
Активный элемент выращивается в виде гетероструктуры (фиг. 1), содержащей два оптических связанных волновода-резонатора. Один из них является активным, в нем находится усиливающая среда, обеспечивающая режим генерации. За счет оптической связи часть излучения из активного резонатора перетекает в другой, пассивный резонатор, геометрические размеры которого значительно (в 2-200 раз) превосходят размеры активного резонатора (прежде всего речь идет о том, что толщина пассивного волноводного слоя превышает толщину активного волноводного слоя в 2-200 раз). Таким образом, излучение выходит из активного элемента как через торцы активного резонатора, так и через торцы пассивного резонатора. Так как площадь выходного торца последнего в 2-200 раз превышает площадь торца активного резонатора, предельная выходная мощность лазера значительно возрастает.The active element is grown in the form of a heterostructure (Fig. 1) containing two optical coupled resonator waveguides. One of them is active, it contains an amplifying medium that provides a generation mode. Due to optical coupling, part of the radiation from the active cavity flows into another passive cavity, whose geometrical dimensions are significantly (2–200 times) larger than the dimensions of the active cavity (first of all, the thickness of the passive waveguide layer exceeds the thickness of the active waveguide layer in 2-200 times). Thus, radiation leaves the active element both through the ends of the active cavity and through the ends of the passive cavity. Since the area of the output end of the latter is 2–200 times larger than the area of the end of the active cavity, the ultimate output power of the laser increases significantly.
В общем случае активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком содержит одну прямоугольную в плане пластину (в общем случае параллелепипедной формы пластину), имеющую первую поверхность, облучаемую электронами, вторую поверхность, выполненную параллельно первой и которой она закреплена на хладопроводе или подложке, и две боковые поверхности, представляющие собой поверхности, полученные скалыванием концевых частей пластины, и образующие оптический резонатор.In the general case, the active element of a transverse electron-beam-pumped semiconductor laser contains one rectangular plate (generally a parallelepiped-shaped plate) having a first surface irradiated with electrons, a second surface made parallel to the first and which it is fixed to a cold conductor or substrate, and two side surfaces, which are surfaces obtained by chipping the end parts of the plate, and forming an optical resonator.
Сама пластина представляет собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру, имеющую волноводный слой, расположенный вблизи первой поверхности, и имеющий оптическую связь с активным волноводным слоем пассивный волноводный слой с малым коэффициентом поглощения генерируемого в активном волноводе излучения, расположенный между активным волноводным слоем и хладопроводом или подложкой.The wafer itself is a multilayer semiconductor heterostructure having a waveguide layer located near the first surface, and having an optical connection with the active waveguide layer, a passive waveguide layer with a low absorption coefficient of radiation generated in the active waveguide, located between the active waveguide layer and the cold conductor or substrate.
Кроме того, существенным для такого активного элемента является то, что поверхность, через которую производится накачка электронным пучком, не обрабатывается, как это имеет место в прототипе, а является естественно выращенной кристаллической поверхностью структуры. В таком активном элементе приповерхностный слой, облучаемый электронным пучком, не имеет существенных структурных нарушений и дефектов - центров безызлучательной рекомбинации. В результате отсутствует необходимость применения электронов с высокой энергией для прохождения приповерхностного нарушенного слоя.In addition, it is essential for such an active element that the surface through which the electron beam is pumped is not processed, as is the case in the prototype, but is a naturally grown crystalline surface of the structure. In such an active element, the surface layer irradiated by an electron beam does not have significant structural defects and defects — centers of nonradiative recombination. As a result, there is no need to use high-energy electrons to pass through a near-surface disturbed layer.
Толщина приповерхностного естественно выращенного и необработанного химически или механически слоя со стороны облучения электронами поперечной накачки меньше большей величины из двух величин: глубины проникновения электронов в гетероструктуру и длины диффузии неравновесных носителей заряда, образованных в гетероструктуре в результате ее облучения электронным пучком.The thickness of the surface layer of a naturally grown and chemically or mechanically untreated layer on the side of transverse-pumped electron irradiation is less than the larger of two values: the penetration depth of electrons into the heterostructure and the diffusion length of nonequilibrium charge carriers formed in the heterostructure as a result of its irradiation with an electron beam.
Пример такой структуры для системы на основе GaN/InGaN/AlGaN представлен на фиг. 2.An example of such a structure for a GaN / InGaN / AlGaN system is shown in FIG. 2.
На подложке 5 из сапфира выращивается толстый (3-100 мкм) слой 10 нитрида галлия GaN, образующий пассивный волноводный слой лазера, вслед за которым наращивается слой Al0.1Ga0.9N 11 с меньшим значением показателя преломления (по сравнению со слоем GaN 10), толщина которого примерно соответствует длине волны лазерного излучения в структуре или несколько превосходит ее (~0.2-1.0 мкм). Затем выращивается активный волноводный слой 12 толщиной 0.3-1.0 мкм. Активный волноводный слой 12 может представлять собой слой GaN или иметь субструктуру и содержать 2-10 тонких (1-3 нм) субслоя Ga0.11In0.89N, являющиеся двумерными энергетическими квантовыми ямами для неравновесных носителей. Структура может также содержать субслои InGaN с одномерными энергетическими ямами - квантовыми проволоками, либо слои с нульмерными энергетическими ямами - квантовыми точками. Концентрация In и Al может изменяться в широких пределах, допускаемых условиями изоморфного роста гетероструктуры.On a
Структура заканчивается внешним ограничивающим слоем Al0.2Ga0.8N 13 толщиной 10-30 нм, обладающим меньшим, по сравнению со слоем 12, значением показателя преломления (значение показателя преломления слоя 12, имеющего субструктуру, определяется в основном показателем преломления материала барьеров из GaN, а не материалом тонких субслоев). Из выращенной таким образом структуры изготавливаются оптические резонаторы (например, методом скалывания двух боковых поверхностей 6 (зеркала резонатора)). Расстояние между выходными зеркалами (длина резонатора L) может составлять от долей мм до нескольких мм. Поперечная накачка лазера производится электронным пучком со стороны слоя 13 через его необработанную естественно выращенную поверхность. По существу, в конструкции активного элемента содержатся не один, а два оптических резонатора - активный и пассивный - одинаковой длины L, отделенных друг от друга слоем 11 толщиной порядка длины волны лазерного излучения в образце.The structure ends with an external bounding layer Al 0.2 Ga 0.8 N 13 with a thickness of 10-30 nm, which has a lower refractive index compared to layer 12 (the refractive index of
В наиболее простом исполнении боковые поверхности 6 оптического резонатора (зеркала резонатора) получают методом скалывания концевых частей для образования плоских поверхностей с сохраненной кристаллической структурой. В этом случае зеркала параллельны друг другу и, как правило, перпендикулярны поверхности, облучаемой электронами. Однако могут быть использованы и более сложные конфигурации, особенно для пассивного резонатора. В общем случае выходящее из пластины излучение выходит с двух сторон пластины. Для формирования однонаправленного выхода излучения на одну из боковых поверхностей может быть нанесено высокоотражающее покрытие. Кроме того, для исключения выхода излучения из активного волновода на другую боковую поверхность активного элемента может быть нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение в области выхода пассивного волноводного слоя на эту поверхность и высокоотражающее на остальной площади этой боковой поверхности.In the simplest version, the side surfaces 6 of the optical resonator (resonator mirror) are obtained by cleaving the end parts to form flat surfaces with a preserved crystalline structure. In this case, the mirrors are parallel to each other and, as a rule, perpendicular to the surface irradiated by electrons. However, more complex configurations can be used, especially for a passive resonator. In the general case, the radiation emerging from the plate exits from both sides of the plate. To form a unidirectional radiation output, a highly reflective coating can be applied to one of the side surfaces. In addition, in order to prevent radiation from leaving the active waveguide, another side surface of the active element can be coated, partially transmitting the generated radiation in the exit region of the passive waveguide layer to this surface and highly reflective in the remaining area of this side surface.
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
При поперечной накачке 1 лазера электронами с энергией до 10-15 кэВ энергия электронного пучка поглощается в слоях 13, 12 и 11, в которых генерируются неравновесные электроны и дырки. За время жизни эти носители заряда за счет диффузии и дрейфа во внутренних полях структуры (возникающих из-за разных значений ширины запрещенной зоны отдельных слоев) скапливаются в слое 12. В случае, когда слой 12 имеет субструктуру в виде квантовых ям, то неравновесные носители скапливаются в этих квантовых ямах, где происходит их рекомбинация с испусканием света. При достаточно большой концентрации носителей достигается состояние инверсии населенностей, и в активном слое происходит усиление излучения (фиг. 2).During transverse pumping of 1 laser by electrons with energies up to 10-15 keV, the electron beam energy is absorbed in
Если усиление в активной среде компенсирует потери, происходит генерация когерентного оптического излучения. Часть излучения 14 из активного резонатора, образованного слоем 12, ввиду малой толщины слоя 11 проникает в пассивный резонатор 10. Это приводит к возбуждению колебаний в пассивном резонаторе. Промежуточный слой служит для связи пассивного и активного волноводов и при определенных условиях на толщины всех слоев и их показатели преломления выполняет функции селективного элемента для возбуждения мод пассивного резонатора. В результате в пассивном резонаторе возбуждается одна или несколько пространственных мод, имеющих малый угол расходимости в вертикальной плоскости (плоскости, проходящей через нормаль к структуре и ось резонатора). Излучение 15 возбуждаемой моды пассивного резонатора выходит наружу (через оба зеркала резонатора). Таким образом, часть излучения 14 выходит через выходную грань активного резонатора в слое 12, а часть - через выходную грань пассивного резонатора, образованного слоем 10. Так как толщина слоя 10, образующего пассивный резонатор, значительно превосходит толщину слоя 12, образующего активный резонатор лазера, площадь выходного торца лазера возрастает, что приводит к возможности достижения повышенных значений выходной импульсной мощности при пониженной энергии поперечной накачки. Кроме того, поскольку ширина моды велика, то расходимость одного лепестка излучения пассивного резонатора существенно сужается (на фиг. 3 видно, что излучение имеет два симметричных лепестка) по сравнения с расходимостью излучения активного волновода. Если на поверхность боковых граней в области выхода на них активного волновода нанести высокоотражающее покрытие, то можно заглушить активный резонатор, чтобы он не портил суммарную диаграмму направленности лазера.If the gain in the active medium compensates for the loss, coherent optical radiation is generated. Part of the
В частности, гетероструктура может содержать последовательно расположенные от первой поверхности естественно выращенный и необработанный механически и химически приповерхностный слой (внешний ограничивающий слой 13), следующий за ним активный волноводный слой (волноводный слой 12), промежуточный слой (слой 11), пассивный волноводный слой (слой 10) и буферный слой 16, через который пассивный волноводный слой связан с подложкой 5. Причем показатель преломления активного волноводного слоя больше показателей преломления приповерхностного и промежуточного слоев, а показатель преломления пассивного волноводного слоя больше показателей преломления промежуточного и буферного слоев. Такой пример исполнения с буферным слоем 16 показан на фиг. 3.In particular, the heterostructure can contain a naturally grown and unprocessed mechanically and chemically surface layer (outer bounding layer 13) sequentially located from the first surface, an active waveguide layer (waveguide layer 12), an intermediate layer (layer 11), and a passive waveguide layer ( layer 10) and a
В рассмотренных примерах подложка 5 рассматривалась как базовый элемент удержания структуры. В качестве подложки может быть использована ростовая подложка, используемая в процессе роста гетероструктуры. Эта ростовая подложка может быть закреплена на хладопроводе, выполненном необязательно из прозрачного материала, например из меди. Для достижения высокой средней мощности лазера теплопроводность ростовой подложки может быть недостаточно высокой для обеспечения необходимого теплоотвода от структуры к хладопроводу. В этом случае структура может быть перенесена на подложку из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Если базовая подложка (ростовая или подложка, на которую перенесена выращенная гетероструктура) закрепляется на хладопроводе через прозрачный слой клея с меньшим показателем преломления либо имеет свободную полированную поверхность, то подложка может выполнять функции пассивного волновода.In the considered examples, the
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием современных технологий выращивания кристаллов с гетероструктурой.The present invention is industrially applicable and can be manufactured using modern technologies for growing crystals with a heterostructure.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015145869A RU2606925C1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015145869A RU2606925C1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2606925C1 true RU2606925C1 (en) | 2017-01-10 |
Family
ID=58452458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015145869A RU2606925C1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2606925C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08222786A (en) * | 1995-02-15 | 1996-08-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electron beam pumping laser, manufacture of electron beam pumping laser, and drive method of electron beam pumping laser |
| US6757312B2 (en) * | 2000-12-05 | 2004-06-29 | Robert Rex Rice | Electron beam pumped semiconductor laser screen and associated fabrication method |
| RU2387062C1 (en) * | 2008-12-10 | 2010-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Платан" с заводом при НИИ" (ФГУП "НИИ "Платан" с заводом при НИИ") | Active element of solid state laser with crosswise electron-beam pump |
-
2015
- 2015-10-27 RU RU2015145869A patent/RU2606925C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08222786A (en) * | 1995-02-15 | 1996-08-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electron beam pumping laser, manufacture of electron beam pumping laser, and drive method of electron beam pumping laser |
| US6757312B2 (en) * | 2000-12-05 | 2004-06-29 | Robert Rex Rice | Electron beam pumped semiconductor laser screen and associated fabrication method |
| RU2387062C1 (en) * | 2008-12-10 | 2010-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Платан" с заводом при НИИ" (ФГУП "НИИ "Платан" с заводом при НИИ") | Active element of solid state laser with crosswise electron-beam pump |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tawara et al. | Low-threshold lasing of InGaN vertical-cavity surface-emitting lasers with dielectric distributed Bragg reflectors | |
| US5131002A (en) | External cavity semiconductor laser system | |
| DE102013204964B4 (en) | Optically pumped surface emitting lasers with high reflectivity reflector and limited bandwidth | |
| Hayamizu et al. | Lasing from a single-quantum wire | |
| JP5374772B2 (en) | Optoelectronic device and manufacturing method thereof | |
| US4713821A (en) | Semiconductor laser and optical amplifier | |
| US6239901B1 (en) | Light source utilizing a light emitting device constructed on the surface of a substrate and light conversion device that includes a portion of the substrate | |
| Hofstetter et al. | Excitation of a higher order transverse mode in an optically pumped In 0.15 Ga 0.85 N/In 0.05 Ga 0.95 N multiquantum well laser structure | |
| Aggarwal et al. | Optically pumped GaN/Al0. 1Ga0. 9N double‐heterostructure ultraviolet laser | |
| US6822988B1 (en) | Laser apparatus in which GaN-based compound surface-emitting semiconductor element is excited with GaN-based compound semiconductor laser element | |
| US9543731B2 (en) | Method and device for generating short optical pulses | |
| US8441723B2 (en) | Scalable semiconductor waveguide amplifier | |
| RU2606925C1 (en) | Active element of semiconductor laser with transverse pumping by electron beam | |
| Lutsenko et al. | Optically pumped quantum-dot Cd (Zn) Se/ZnSe laser and microchip converter for yellow–green spectral region | |
| JP6662790B2 (en) | Optical amplifier | |
| US9106053B2 (en) | Distributed feedback surface emitting laser | |
| US20060233209A1 (en) | Solid body | |
| RU2535649C1 (en) | Semiconductor laser | |
| Kageyama et al. | Development of high-power quasi-CW laser bar stacks with enhanced assembly structure | |
| RU2408119C2 (en) | Semiconductor laser | |
| JPH11340568A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
| RU2109382C1 (en) | Semiconductor laser | |
| JP2001237488A (en) | Semiconductor laser device | |
| Debusmann et al. | Spacer and well pumping of InGaN vertical cavity semiconductor lasers with varying number of quantum wells | |
| JPH03227092A (en) | Semiconductor laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201028 |