WO2016133426A1 - Инжекционный лазер - Google Patents

Инжекционный лазер Download PDF

Info

Publication number
WO2016133426A1
WO2016133426A1 PCT/RU2016/000054 RU2016000054W WO2016133426A1 WO 2016133426 A1 WO2016133426 A1 WO 2016133426A1 RU 2016000054 W RU2016000054 W RU 2016000054W WO 2016133426 A1 WO2016133426 A1 WO 2016133426A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
mode
refractive index
multimode waveguide
wide
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000054
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Никита Юрьевич ГОРДЕЕВ
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Publication of WO2016133426A1 publication Critical patent/WO2016133426A1/ru

Links

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
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures

Definitions

  • the invention relates to quantum electronic technology, and more specifically to semiconductor injection lasers and can find application as an optical radiation source for pumping fiber amplifiers, fiber and solid-state lasers, in equipment for processing materials, in metrology, printing, medicine, optical location systems, robotics and other industries.
  • a typical end-semiconductor injection laser consists of a quantum-well active region located in an undoped or lightly doped waveguide.
  • the waveguide on both sides is enclosed between the boundary layers having a lower refractive index than the waveguide layer.
  • the boundary layers usually act as emitters, for which one boundary layer is doped with an impurity of / type, the other with an impurity> type.
  • the waveguide parameters determine the mode composition of laser radiation. In the general case, there may be several transverse optical modes that distinguish by the order of m.
  • the radiative recombination of injected electrons and holes in the active region leads to the appearance of light amplification.
  • the pump current reaches a threshold value, lasing begins.
  • ⁇ ⁇ is the optical confinement factor (gamma factor) for the active region of the optical mode / I-order
  • the number and mode profile of an optical waveguide depend on the thickness of the waveguide and the refractive indices of the waveguide and the bounding layers.
  • the waveguide With increasing waveguide thickness upon reaching of a certain critical value, depending on the refractive indices of the waveguide and the bounding layers, the waveguide can support high-order modes.
  • the expansion of a laser waveguide can lead to laser generation on high-order modes and to multimode 5 generation. This leads to the expansion of the radiation pattern in a plane perpendicular to the layers of the structure, and to the appearance of additional maxima in it, which impairs the properties of the laser from the point of view of its practical application.
  • the expansion of the waveguide while maintaining the single-mode nature of the radiation, has positive effects: the fundamental mode in the wider waveguide has a smaller divergence angle in the radiation pattern; in a wider waveguide, the optical power density on the laser mirrors is reduced, which increases their degradation resistance; optical losses on free carriers in high-alloyed emitters are reduced, since in
  • the fundamental mode is more strongly localized in the lightly doped waveguide layer.
  • an injection laser is known (see application US20100150196, IPC H01S5 / 00, published June 17, 2010), consisting in series of a first restriction layer for limiting the optical mode, a first waveguide
  • the second and third waveguide layers have the same refractive index, and the first bounding layer, the separation layer, the second bounding layer have refractive indices lower than the refractive indices of the first, second, and third waveguide layers.
  • three waveguide layers are components of a single waveguide,
  • a disadvantage of the design of the known injection laser is the significant penetration of the optical mode into the doped boundary layers, which increases the optical loss.
  • a further decrease in the divergence of the laser beam is possible only with an increase in the thickness of the waveguide layers and a decrease in the jump in the refractive index between the waveguide and bounding layers, which further increases the mode penetration into the bounding layers.
  • a well-known injection laser (see patent US5923689, IPC H01S3 / 19, published July 13, 1999), consisting in layers of GaAs p-tt substrate, GaAs buffer layer / t-type 0.4 ⁇ m thick with a dopant concentration of 210 18 cm "3 , A1O, 5 1P 0, 5R limiting n-type layer 0.5 microns thick with a dopant concentration 410 17 cm "3, (Alo, 6Ga 0, 4) o, 5lno, passive waveguide 5 P / m-thick type 2000 angstroms with a dopant concentration of 4 '10 17 cm "3, A1O, 5 1P 0 5 barrier layer for the passive waveguide of p-type with a thickness of 7000 angstroms dopant concentration 410 17 cm" 3, (Alo, 6Gao, 4) 0, 5ln 0 5 P optical own type confining layer 900 angstroms thick, Gao (42 Ino, 58P
  • the known laser it was possible to reduce the divergence of the laser beam in the plane perpendicular to the layers of the structure to 18 degrees (at a level of 0.5).
  • a significant part of the optical mode propagates along doped passive waveguide layers, which increases the optical loss.
  • the spatial distribution of the mode contains additional maxima; therefore, the profile of the optical mode in the waveguide differs from the Gaussian profile. Accordingly, the spatial distribution of the laser beam is also not described by the Gaussian function, which reduces its quality and makes it difficult to focus.
  • An injection laser is known (see application US20130287057, IPC H01S5 / 20, published October 31, 2013), consisting of a first p-type conductivity confinement layer, a first conductivity p-type waveguide adjacent to the first confinement layer, an active layer capable of generating radiation adjacent to the first waveguide layer, the second waveguide layer is a conductivity type adjacent to the active layer, the second p-type boundary layer adjacent to the second waveguide layer.
  • the sum of the thicknesses of the first waveguide layer, the active layer and the second waveguide layer is more than 1 ⁇ m, and the thickness of the second waveguide layer is less than 150 nm.
  • the active layer, the first bounding layer, the second bounding layer, the first waveguide layer and the second waveguide layer are such that the maximum intensity of the fundamental mode is in the region outside the active layer, and the difference in the refractive indices of the first waveguide layer and the first bounding layer lies between 0.04 and 0.01.
  • the known injection laser has an asymmetric waveguide. The main part of the laser mode propagates along the first waveguide layer. The small contrast of the refractive index between the first limiting layer and the first waveguide layer ensures the leakage of high-order modes from the waveguide and a decrease in their optical confinement factor in the active region, due to which high-order modes are not involved in laser generation.
  • the expansion of the waveguide allows you to narrow the radiation pattern of the laser beam in the plane perpendicular to the layers of the structure, to values less than 50 degrees (beam width containing 95% optical power).
  • the small contrast of the refractive index between the first boundary layer and the first waveguide layer makes the structure sensitive to changes in the refractive indices of the layers during laser operation; significant part of the zero mode propagates along the doped first waveguide layer and the first bounding layer, which leads to high optical losses; the design is not applicable in the case of a large number of active layers, when the refractive index of the active region significantly affects the waveguide properties.
  • An injection laser is known (see application US20040208215, IPC H01S3 / 08, published October 21, 2004) containing a / d-doped region, at least part of which contains a photonic crystal, including a layered one, consisting of at least one layer. Each layer is doped with an l-type impurity, the layered structure has a spatial periodic modulation of the refractive index in a direction perpendicular to the direction of light propagation; defect adjacent to the photonic crystal.
  • This defect contains a layer that generates light when the injection current flows when forward bias is applied, the first thin tunneling barrier for electrons located on the side of the light-generating layer, characterized in that it is formed from a material containing lightly doped layers and undoped layers, a second tunnel barrier for holes located on the ⁇ -side of the light generating layer, characterized in that it is formed from a material containing lightly doped p-spons and undoped layers, two layers between which are there is a first tunnel barrier, two layers between which there is a second tunnel barrier.
  • the injection laser also contains an / 7-doped layered structure containing at least one layer, each layer doped with a ⁇ -type impurity. This layered structure is located near the defect on the side opposite from the d-doped region. This / P-doped layered structure has a refractive index that prevents the fundamental mode from expanding into this structure and into-contact.
  • the fundamental mode is localized on the defect, and the remaining modes are stretched along the photonic crystal, while the thickness of the photonic crystal and the defect provide a small divergence of the light beam.
  • the divergence of the laser beam can be reduced to 4 degrees (at a level of 0.5).
  • the design can be implemented for semiconductor lasers emitting in different spectral ranges.
  • a disadvantage of the known injection laser is the content of a large number of layers in a wide waveguide based on a photonic crystal, the thickness and composition of which must be precisely controlled, which makes the design technologically difficult to reproduce; in addition, to reduce the series electrical resistance, the waveguide is alloyed, which leads to significant optical losses; the optical mode profile in the waveguide differs from the Gaussian profile; accordingly, the spatial distribution of the laser beam is also not described by the Gaussian function, which reduces its quality and makes it difficult to focus.
  • An injection laser is known (see A. Pietrzak, et al., High-power laser diodes emitting light above 1100 nm with a small vertical divergence angle of 13 °. - Optics Letters, Vol. 33, No. 19, p. 2188, 2008), which includes the first and second boundary layers, between which there is a waveguide up to 5 microns thick. In the middle of the waveguide layer is an active region based on quantum wells. The thickness of the bounding layers is 350 nm. The thickness of the waveguide layer and the contrast of the refractive index between the waveguide and bounding layers allow the existence of high-order modes in the waveguide. Due to the thin bounding layers, high-order modes penetrate effectively into the adjacent layers.
  • Such adjacent layers are the contact layer and the substrate. Both layers have high doping; therefore, the optical mode propagating through these layers has significant optical absorption, and the threshold generation condition is not satisfied for it. Due to the small internal optical losses for the fundamental mode, waveguides of this type make it possible to produce lasers with a cavity length of up to 8 mm and obtain optical powers of up to several watts.
  • the profile of the optical mode is well described by the Gauss function, which positively affects the quality of the laser beam.
  • the design makes it possible to obtain a laser beam with a divergence of less than 15 degrees (at a level of 0.5) in the direction perpendicular to the layers of the laser heterostructure.
  • a design disadvantage of the known injection laser is its sensitivity to the choice of thicknesses and compositions of waveguide and boundary layers.
  • the refractive indices of the waveguide and restrictive layers change, which in some cases leads to the generation of high-order modes, in including modes reflected from the lower surface of the substrate, and modes reflected in the upper contact layer.
  • Known injection laser comprising a vertical waveguide containing 5 first cavity (first waveguide), a first reflector located on one side of the first cavity, a second reflector located on the second side of the first cavity, opposite the first reflector, at least one second cavity (second waveguide), located on the side of the second reflector opposite the first reflector, at least one third
  • Yu reflector located on the side of the second cavity opposite the first reflector; a light generating element located within the first cavity and capable of producing optical amplification by injection of current when applying direct bias; substrate, injector and longitudinal resonator.
  • Typical thickness of a wide waveguide is 10-30 microns.
  • the substrate of the injection laser can act as the second waveguide.
  • the optical modes of two waveguides interact and form a combined mode, which propagates simultaneously along two waveguides.
  • the directivity pattern of this mode in the vertical direction is two narrow peaks directed at an angle to the axis of the resonator.
  • the active region consisting of at least one quantum-well active layer, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation:
  • 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 its thickness and location in the waveguide are determined from the condition for the above relation to be fulfilled. The distances from the active region to the p and / t emitters do not exceed the diffusion lengths of the holes and electrons in the waveguide, respectively.
  • the known injection laser has a small divergence of radiation while maintaining a high value of efficiency and output power of the radiation.
  • the optical confinement factor weakly depends on the asymmetry of the position of the active region.
  • the well-known prototype laser has an increased laser generation threshold for
  • the objective of this technical solution was the development of 25 injection laser having a reduced divergence of the laser beam in the direction perpendicular to the layers of the structure, and an increased thickness of the waveguide while maintaining laser generation on the fundamental transverse mode.
  • the injection laser based on a semiconductor heterostructure of separate separation includes a multimode waveguide, the first and second wide-gap confinement layers, which are simultaneously emitters of p- and / 7-type conductivity 35 and located on opposite sides of the multimode waveguide, the active a region located in a multimode waveguide and consisting of at least one quantum-well active layer, ohmic contacts and an optical resonator.
  • a multimode waveguide and one of the first and second wide-gap boundary layers a first single-mode 5 waveguide and a first additional wide-gap boundary layer are introduced.
  • the first additional wide-gap confining layer is located between the multimode waveguide and the first single-mode waveguide.
  • r ° Q w is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide.
  • the thickness P], nm, of the first additional wide-gap restrictive 15 layer, the effective refractive index of the eigenmode of the first single-mode waveguide and the minimum value n s of the effective refractive index of the eigenmodes of the multimode waveguide satisfy the relations:
  • N d N m + k. (N f -n s ).
  • N m is the effective refractive index of the eigenm-mode of a multimode waveguide
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 25-0.07 ⁇ k ⁇ 0.07;
  • rif is the refractive index of a multimode waveguide
  • q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • L is the radiation wavelength, nm
  • nci is the refractive index adjacent to the multimode waveguide 30 of one of the first and second wide-gap confining layers; "-p. is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer.
  • the injection laser based on a semiconductor heterostructure of separate separation includes 5 multimode waveguides, the first and second wide-gap confinement layers, which are simultaneously emitters of p- and / 7-type conductivity and located on opposite sides of the multimode waveguide, the active a region located in a multimode waveguide and consisting of at least one quantum-well active layer, ohmic contacts and an optical resonator.
  • the first single-mode waveguide and the first additional wide-gap boundary layer are introduced.
  • the first additional wide-gap confining layer is located between the multimode waveguide and the first single-mode waveguide.
  • a second single-mode waveguide and a second additional wide-gap boundary layer are introduced by a multimode waveguide and a second wide-gap boundary layer.
  • the second additional wide-gap boundary layer is located between the multimode waveguide and the second single-mode waveguide.
  • the 20 eigen / mt modes (/ 77 is a positive integer) of the multimode waveguide and the optical limitation factor QW for the active region of the e / 7 mode (n is a positive integer not equal to m) of the multimode waveguide satisfy the relations:
  • r ° Q W is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide.
  • N m is the effective refractive index of the intrinsic t-mode of a multimode waveguide
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ k ⁇ 0.07;
  • ü rif is the refractive index of a multimode waveguide
  • N n is the effective refractive index of the intrinsic / t-mode of a multimode waveguide
  • q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • L is the radiation wavelength, nm;
  • p is the refractive index of the second additional wide-gap confining layer.
  • the problem is solved by the fact that the injection laser
  • a semiconductor heterostructure of a separate confinement On the basis of a semiconductor heterostructure of a separate confinement, it includes a multimode waveguide, the first and second wide-gap confinement layers, which are simultaneously emitters of p- and / 7-type conductivity and located on opposite sides of the multimode waveguide, the active region located in the multimode waveguide and consisting of lesser
  • a multimode waveguide and one of the first and second wide-gap boundary layers a first single-mode waveguide, a first additional wide-gap boundary layer, a second single-mode waveguide and a second additional wide-gap one are introduced bounding layer.
  • the first additional wide-gap boundary layer is located between the multimode waveguide and the first single-mode waveguide
  • the second additional wide-gap boundary layer is located between the first single-mode waveguide and the second single-mode waveguide.
  • optical limiting factor ⁇ 7 ⁇ for the active region of the eigenm-mode (m is a positive integer) of the multimode waveguide and the optical limiting factor QW for the active region of the eigenm-mode (n is a positive integer not equal to m) of the multimode waveguide satisfy the relations:
  • r ° Q w is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide.
  • the thickness i, nm, of the first additional wide-gap confining layer, the effective refractive index Ndi of the eigenmode of the first single-mode waveguide, the thickness of 2 , nm, the second additional wide-gap confining layer, the effective refractive index of Nd2 of the eigenmode of the second single-mode waveguide and the minimum value n s of the effective refractive index of the eigenmodes multimode waveguide modes satisfy the relations:
  • N m is the effective refractive index of the intrinsic t-mode of a multimode waveguide
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ * ⁇ 0.07; rif is the refractive index of a multimode waveguide;
  • N n is the effective refractive index of the eigen / 7 mode of the multimode waveguide
  • q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2; 5 ⁇ is the radiation wavelength, nm;
  • prG is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer
  • pr * is the refractive index of the second additional wide-gap confining layer
  • S u n ci is the refractive index adjacent to the multimode waveguide of one of the first and second wide-gap confining layers.
  • the problem is solved in that the injection laser based on a semiconductor heterostructure of separate separation includes a multimode waveguide, the first and second wide-gap boundary layers,
  • the 15 are simultaneously emitters of p- and / 7-type conductivity and located on opposite sides of the multimode waveguide, the active region located in the multimode waveguide and consisting of at least one quantum-well active layer, ohmic contacts and an optical resonator. Between a multimode waveguide and one of the first and
  • a first single-mode waveguide, a first additional wide-band boundary layer, a second single-mode waveguide, and a second additional wide-band boundary layer are introduced.
  • the first additional wide-gap boundary layer is located between the multimode waveguide and the first
  • a second additional wide-gap boundary layer is located between the first single-mode waveguide and the second single-mode waveguide.
  • a third single-mode waveguide and a third additional wide-band waveguide are introduced
  • a third additional wide-gap confining layer is located between the multimode waveguide and the third single-mode waveguide.
  • the multimode waveguide satisfies the relations:
  • r ° Q w is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide.
  • the effective refractive index N d3 of the eigenmode of the third single-mode waveguide and the minimum value n s of the effective refractive index of the waveguide satisfy the relations:
  • N m the effective refractive index of the eigenm-mode of the multimode waveguide
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ k ⁇ 0.07;
  • rif is the refractive index of a multimode waveguide
  • N n is the effective refractive index of the intrinsic? - mode of the multimode 5 waveguide
  • N L is the effective refractive index of the intrinsic /. -Mode of a multimode waveguide
  • q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • L is the radiation wavelength, nm;
  • w ⁇ ⁇ is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer
  • np is the refractive index of the second additional wide-gap confining layer
  • rz is the refractive index of the third additional wide-gap
  • the injection laser based on a semiconductor heterostructure of a separate confinement includes a multimode waveguide, the first and second wide-gap confinement layers, which are simultaneously emitters of p- and z-type conductivity
  • the active region located in the multimode waveguide and consisting of at least one quantum-well active layer, ohmic contacts and an optical resonator.
  • the first single-mode waveguide is introduced,
  • first additional wide-gap confinement layer 25 a first additional wide-gap confinement layer, a second single-mode waveguide, and a second additional wide-band confinement layer.
  • the first additional wide-gap boundary layer is located between the multimode waveguide and the first single-mode waveguide, and the second additional wide-gap
  • a boundary layer is disposed between the first single-mode waveguide and the second single-mode waveguide.
  • a third single-mode waveguide, a third additional wide-gap boundary layer, a fourth single-mode waveguide, and a fourth additional wide-gap are introduced bounding layer.
  • a third additional wide-gap boundary layer is located between the multimode waveguide and the third single-mode waveguide, and a fourth additional wide-gap boundary layer is located between the third single-mode waveguide and the fourth single-mode 5 waveguide.
  • r ° Q w is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide.
  • N di N n + k (n f -n s )
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ k ⁇ 0.07;
  • rif is the refractive index of a multimode waveguide
  • Nn is the effective refractive index of the eigen / 7 mode of the multimode 15 waveguide
  • NL is the effective refractive index of the intrinsic /.
  • N j is the effective refractive index of the eigenmode of a multimode waveguide
  • 20 q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • L is the radiation wavelength, nm
  • pR1 is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer
  • pRt is the refractive index of the second additional wide-gap 25 boundary layer; p. - the refractive index of the third additional wide-gap restrictive layer;
  • pr * is the refractive index of the fourth additional wide-gap confining layer.
  • the present invention is based on the effect of tunneling radiation between two optical waveguides located at a distance of the order of the depth of penetration of the optical mode into the layers separating the waveguides (CRPollock, M. Lipson, Integrated Photonics, Springer, 2004, pp. 255-259) .
  • the condition for effective mode tunneling between two coupled optical waveguides is the coincidence of the propagation constants of the eigenmodes of the two waveguides. This condition can also be formulated as the equality of the effective refractive indices of the eigenmodes of two waveguides. With such a resonant interaction of two tunnel-coupled waveguides, the eigenmode of one waveguide and
  • the eigenmode of another waveguide tunnel between the waveguides to form two combined modes propagating simultaneously along two waveguides.
  • the intensity of each combined mode is distributed equally between two waveguides. Tunneling is possible between waveguides having substantially different thicknesses.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a present injection laser comprising a first single-mode waveguide and a first additional wide-band layer;
  • FIG. Figure 2 shows a schematic representation of the profile 13 of the refractive index of a wide multimode waveguide tunnel coupled to a narrow first single-mode waveguide, and the distribution of intensity 14 of the fundamental mode and intensity 15 of one combined mode that arose during tunneling of the second-order eigenmode;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a second embodiment of the present injection laser comprising a first single-mode waveguide and a first additional wide-band boundary layer on one side of the multimode waveguide and a second single-mode waveguide and a second additional wide-band boundary layer on the other side of
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a third embodiment of the present injection laser comprising a first and a second single-mode waveguides and a first and second additional wide-gap confining layers located on one side of the multimode waveguide;
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a fourth embodiment of the present injection laser containing the first and second single-mode waveguides and the first and second additional wide-band boundary layers located on one side of the multimode waveguide, and the third single-mode waveguide and the third additional wide-gap layer,
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a fifth embodiment of the present injection laser containing the first and second single-mode waveguides and the first and second additional wide-band boundary layers on one side of the multimode waveguide and the third and fourth single-mode
  • the first version of the present injection laser (see Fig. 1) contains a quantum-well active region 1 located in the multimode
  • a multimode waveguide 2 is bounded by the first wide-gap confining layer 3, which is simultaneously an emitter of, for example, conductivity p-wave.
  • the boundary layer 4 is tunnelly coupled to the first single-mode waveguide 5, which is bounded by the second wide-gap boundary layer 6, which is simultaneously an emitter, for example, of p-type conductivity.
  • the layers of the laser structure are grown on a doped semiconductor substrate 7 to which an ohmic contact 8 is formed. Second ohmic contact 9
  • r ° Q w is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide 2.
  • the effective refractive index Ndi eigenmode of the first single-mode waveguide 5 and the minimum value of n s the effective refractive index of the multimode waveguide eigenmodes 2 satisfy the relations:
  • N m is the effective refractive index of the eigen-w mode of the multimode waveguide 2;
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ k ⁇ 0.07;
  • rif is the refractive index of a multimode waveguide 2
  • nci is the refractive index adjacent to the multimode waveguide of the first wide-band boundary layer 3;
  • ⁇ is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer 4.
  • the second embodiment of the present injection laser (see Fig. 3) and the third version of the present injection laser (see Fig. 4) differ from the first embodiment of the present injection laser (see Fig. 1) in that in the multimode waveguide 16 containing the quantum active region 1, the threshold condition is satisfied for two eigenmodes of high order: the eigenmodes 77 (/ i is a positive integer) and the eigenmodes /> modes (n is a positive integer not equal to m).
  • Optical Limit Factor For the active region of the eigen / L mode of the multimode waveguide 16 and the optical limiting factor r QW for the active region of the eigenvalue / 7 mode of the multimode waveguide 16 satisfy the relations:
  • r ° Q W is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide 16.
  • the second embodiment of the present injection laser differs from the first variant of the present injection laser (see Fig. 1) in that the first single-mode waveguide 17 and the first additional wide-gap one are introduced between the multimode waveguide 16 and the first wide-band boundary layer 3 boundary layer 18.
  • the first additional wide-gap boundary layer 18 is located between
  • a multimode waveguide 16 and a first single-mode waveguide 17 15 by a multimode waveguide 16 and a first single-mode waveguide 17.
  • a second single-mode waveguide 19 and a second additional wide-band boundary layer 20 are introduced.
  • the second additional wide-band boundary layer 20 is located between the multimode waveguide 16 and
  • N di N n + k (n f -n s ).
  • N m is the effective refractive index of the eigenm-mode of the multimode waveguide 16
  • rif is the refractive index of the multimode waveguide 16
  • Nn is the effective refractive index of the eigenmode> of the multimode waveguide 16;
  • ⁇ q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • ⁇ is the radiation wavelength, nm
  • Pt is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer 18;
  • the third embodiment of the present injection laser differs from the first version of the present injection laser (see Fig. 1) in that the first single-mode waveguide 17, the first, is introduced between the multimode waveguide 16 and the second wide-band boundary layer 6
  • an additional wide-gap boundary layer 18 is located between the multimode waveguide 16 and the first single-mode waveguide 17, and a second additional wide-gap boundary layer 20.
  • N m is the effective refractive index of the intrinsic t-mode of the multimode waveguide 16
  • rif is the refractive index of the multimode waveguide 16
  • Nn is the effective refractive index of the eigenf? - mode of the multimode waveguide 16;
  • 15 q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range 0.5 ⁇ q ⁇ 2;
  • ⁇ is the radiation wavelength, nm
  • ⁇ is the refractive index of the first additional wide-gap bounding layer 18;
  • prG is the refractive index of the second additional wide-gap
  • nci is the refractive index adjacent to the multimode waveguide of the first wide-gap confining layer 3.
  • the fourth embodiment of the present injection laser differs from the first embodiment of the present injection laser (see FIG. 1) in that
  • eigenmodes (m is a positive integer)
  • eigenmodes (f7 is a positive integer not equal r)
  • eigenf.- mode ((. is a positive integer not equal to m and n).
  • the boundary layer 23 is located between the multimode waveguide 21 and the first single-mode waveguide 22, and the second additional wide-band boundary layer 25 is located between the first single-mode waveguide 22 and the second single-mode waveguide 24, a third single mode
  • a waveguide 26 and a third additional wide-gap confining layer 27, and the third additional wide-confining layer 27 is located between the multimode waveguide 21 and the third single-mode waveguide 26.
  • N m is the effective refractive index of the eigenm-mode of the multimode waveguide 21;
  • rif is the refractive index of the multimode waveguide 21
  • N n is the effective refractive index of the eigenmode of the multimode waveguide 21;
  • NL is the effective refractive index of the intrinsic / -mode of the multimode waveguide 21;
  • nPt is the refractive index of the first additional wide-gap bounding layer 23;
  • prz is the refractive index of the third additional wide-gap confining layer 27.
  • the fifth embodiment of the present injection laser differs in that in the multimode waveguide 28 containing the quantum active region 1, the threshold condition is satisfied for four eigenmodes of a high order: eigen / 77 modes (m is a positive integer), eigen / 7 modes (/ 7 is a positive integer not equal to m), eigen /.modes (/ is a positive integer not equal to m and n) and eigenmodes (is an integer 5 is a positive number not equal to m, L).
  • Optical constraint factor ⁇ for the active region of the eigen / TT mode of the multimode waveguide 28 optical constraint factor QW for the active region of the eigenvalue / 7 mode of the multimode waveguide 28 optical limitation factor ⁇ for the active region of the eigenvalue / mode of the multimode waveguide 28 and factor optical limits P Q W FOR the active region of the eigenmode / mode of the multimode waveguide 28 satisfy the relations:
  • r ° Q W is the optical confinement factor for the active region of the zero mode of the multimode waveguide 28.
  • a second single-mode waveguide 31 and a second additional wide-gap restriction layer 32 wherein the first additional wide-gap restriction layer 30 is located between the multimode waveguide 28 and the first single-mode waveguide 29, and the second additional wide-gap restriction layer 32 is located between the first single-mode waveguide
  • a third single-mode waveguide 33, a third additional wide-band boundary layer 34, a fourth single-mode waveguide 35 and a fourth additional wide-band boundary layer 36 are introduced, while the third additional wide-band boundary layer a layer 34 is located between the multimode waveguide 28 and the third single-mode waveguide 33, and the fourth additional wide-gap boundary layer 36 is located ezhdu third single-mode waveguide 33, and a fourth single-mode waveguide 35.
  • N m is the effective refractive index of the eigenm-mode of the multimode waveguide 28
  • k is a dimensionless numerical coefficient lying in the range of -0.07 ⁇ k ⁇ 0.07; rif is the refractive index of the multimode waveguide 28;
  • N n is the effective refractive index of the eigenmodes of the multimode waveguide 28;
  • NL is the effective refractive index of the intrinsic ⁇ , -mode of a multimode waveguide 28;
  • N j is the effective refractive index of the eigenmode / mode of the multimode waveguide 28;
  • pR1 is the refractive index of the first additional wide-gap confining layer 30;
  • prG is the refractive index of the second additional wide-gap confining layer 32;
  • p * is the refractive index of the fourth additional wide-gap bounding layer 36.
  • the first embodiment of the present injection laser (see Fig. 1) works as follows. Electric current is passed through ohmic contacts 8, 9 in the direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operation mode corresponds to the forward bias of the? - / 7 junction. When the current passed through the injection laser exceeds a threshold value, laser radiation emerges through the mirrors of the resonator 11, 12. The output radiation power, in addition to the structure parameters, depends on the amount of current passed through the laser heterostructure. In the laser generation mode, the threshold condition is satisfied for the fundamental mode of the multimode waveguide 2, and it participates in laser generation.
  • the threshold condition is also satisfied for one more eigenmode of the multimode waveguide 2 having an effective refractive index N m .
  • the criterion for the fulfillment of the threshold condition for the / 77 mode is the ratio of its optical confinement factor for the active region ⁇ ⁇ and the optical confinement factor for the active region r ° QW of the zero mode of the multimode waveguide 2: (one)
  • the eigenmode of the multimode waveguide 2 leaks into the first single-mode waveguide 5, whose only eigenmode has an effective refractive index Nn, and 5 combined modes are formed.
  • the intensity of the combined mode is distributed approximately equally between waveguides 2 and 5.
  • the / 77 mode of the tunnel coupled multimode waveguide 2 is excluded from the laser generation process. In this case, the parameters of the fundamental mode of the multimode waveguide 2 are practically unchanged.
  • the effective refractive index N m of the eigenmode 77 of the multimode waveguide 2 may have the meanings limits:
  • rif is the refractive index of the multimode waveguide 2
  • n ci is the refractive index of the wide-band boundary layer 3
  • P1 is the refractive index of the first additional wide-band boundary layer 4.
  • the first additional wide-limiting layer 4 should be comparable to the effective penetration depth own 77 -mode from a multimode waveguide 2 in the first additional wide-confining layer 4:
  • A is the radiation wavelength, nm, q is a dimensionless numerical coefficient lying in the range from 0.5 to 2, specifying the lower and upper limits, respectively, for the thickness of the first additional wide-gap the boundary layer 4.
  • the thickness of the first additional wide-gap boundary layer 4 is less than the lower limit, the mutual influence of the waveguides becomes too strong, which leads to a strong sensitivity of the spatial distribution of the combined modes to the parameters 5 of the waveguides.
  • the thickness of the first additional wide-gap boundary layer 4 is greater than the upper limit, optical tunneling between the two waveguides 2, 5 deteriorates, and the combined modes become unstable.
  • a multimode waveguide can be coupled with several single-mode waveguides.
  • a wide multimode waveguide 28 is tunneled with four single-mode waveguides 29, 31, 33 and 35.
  • On each side of the multimode waveguide 28 are two single-mode waveguides and two additional wide-band
  • This embodiment of the present injection laser operates as follows. Electric current is passed through ohmic contacts 8, 9 in a direction perpendicular to the layers of the heterostructure, and the injection laser operating mode corresponds to
  • the threshold laser generation condition is also satisfied for four high-order eigenmodes, the number of which is equal to the number of single-mode waveguides. Due to resonant tunneling, each of these eigenmodes flows into one of
  • single-mode waveguides which coincides with it in the effective refractive index, with the formation of combined modes.
  • high-order eigenmodes of a multimode waveguide 28 tunnel through single-mode waveguides 29 and 33, respectively, and through additional wide-band boundary layers
  • the parameters of the multimode waveguide 28 and the tunnel-coupled single-mode waveguides 29, 31, 33 and 35 are determined similarly to the method for determining the parameters of the multimode waveguide 2, single-mode waveguide 5 and an additional wide-gap
  • Example 1 Two comparative tests were made.
  • the threshold condition was fulfilled only for the fundamental mode, for which the gamma factor is 1.6%. Divergence of radiation in a plane perpendicular to the layers of the structure,
  • 35 waveguide is multimode.
  • Table I The thicknesses and compositions of the layers of the waveguide of the most common known type of injection laser emitting at the fundamental transverse mode.
  • Table III for this laser provides a description of a multimode waveguide with a thickness of 2.5 ⁇ m, which through the first additional wide-gap boundary layer is 0.25 ⁇ m thick it is connected to the first single-mode waveguide with a thickness of 0.55 ⁇ m.
  • Table III The thicknesses and compositions of the layers of a wide laser waveguide of a real injection laser emitting at the fundamental transverse mode, containing the first single-mode waveguide and the first additional wide-gap layer.
  • the threshold condition was satisfied only for the fundamental mode of a multimode waveguide.
  • the radiation divergence for it in the plane perpendicular to the layers of the structure was 23 degrees (at the level of 0.5).
  • Table IV shows the gamma factor for the optical modes of the most common multimode laser waveguide and the multimode waveguide of a real laser tunnel coupled to the first single-mode waveguide.
  • the gamma factors of the fundamental modes are the same for both lasers.
  • the first and third order modes in both lasers have gamma factors ten times smaller than those of the fundamental mode, and the threshold condition was not fulfilled for them.
  • the second-order mode gamma factor of the most common type of laser waveguide is 1.2 times smaller than the fundamental mode gamma factor and the threshold condition is satisfied for it.
  • the eigenmode of the second order forms combined modes with a gamma factor 2.2 times smaller than the gamma factor of the fundamental mode of a multimode waveguide; therefore, the threshold condition is not satisfied for combined modes.
  • combined modes propagate along the first additional wide-gap confinement layer and the first single-mode waveguide, which have strong doping, due to which they have an optical loss of more than 4.5 cm "1 , which further reduces the probability of the fulfillment of the threshold condition for them.
  • the second-order mode in a multimode laser waveguide of the most common type has a 3.6 times smaller optical loss of 1.3 cm "1 .
  • Example 2 A real injection laser was manufactured for testing (third option). The laser was grown on a CaAB substrate with an active region on based on two InGaAs quantum wells emitting at a wavelength of 1.04 microns. Table V provides a description for this laser.
  • a multimode waveguide with a thickness of 3.6 ⁇ m which is tunnelly coupled through wide-gap narrowing layers to two single-mode waveguides with a thickness of 0.3 ⁇ m and 0.4 ⁇ m located on one side of the multimode waveguide.
  • the threshold condition was satisfied only for the fundamental mode of a multimode waveguide.
  • the radiation divergence for it in the plane perpendicular to the layers of the structure was 16 degrees (at the level of 0.5).
  • Table VI shows the gamma factor for the optical modes of a multimode waveguide of a real laser tunnel coupled to two single-mode waveguides.
  • the first, third order, and fifth order modes have gamma factors ten times smaller than that of the fundamental mode, and the threshold condition was not fulfilled for them,
  • Table VI The values of the gamma factor of the optical modes of a wide waveguide of an injection laser containing the first and second single-mode waveguides and the first and second additional wide-band boundary layers located on one side of the multimode waveguide.
  • eigenmodes of the second and fourth order due to tunneling form combined modes with gamma factors almost 2.5 times smaller than the gamma factor of the fundamental mode of a multimode waveguide, therefore, the threshold condition is not satisfied for combined modes.
  • Example 3 A real injection laser was made for testing (second option). The laser was grown on a GaAs substrate with an active region based on two InGaAs quantum wells emitting at a wavelength of 1.04 ⁇ m. Table VII for the present laser describes a multimode waveguide with a thickness of 3.6 ⁇ m, which is tunneled through wide-band boundary layers with two single-mode waveguides with a thickness of 0.31 ⁇ m and 0.32 ⁇ m located on opposite sides of the multimode waveguide.
  • Table VII The thicknesses and compositions of the layers of a wide laser waveguide of an injection laser emitting at the fundamental transverse mode, containing the first single-mode waveguide and the first additional wide-band boundary layer on one side of the multimode waveguide and the second single-mode waveguide and the second additional wide-band boundary layer on the other side of the multimode waveguide.
  • the threshold condition was satisfied only for the fundamental mode of a multimode waveguide.
  • the radiation divergence for it in the plane perpendicular to the layers of the structure was 16 degrees (at the level of 0.5).
  • Table VIII shows the gamma factor for the 5 optical modes of a multimode waveguide of a real laser tunnel coupled to two single-mode waveguides.
  • the first, third order, and fifth order modes have gamma factors ten times smaller than that of the fundamental mode, and the threshold condition was not fulfilled for them.
  • Table VIII The values of the gamma factor of the optical modes of a wide waveguide of an injection laser containing the first single-mode waveguide and the first additional wide-gap restriction layer on one side of the multimode waveguide and the second single-mode waveguide and the second additional wide-gap restriction layer on the other side of the multimode waveguide.
  • eigenmodes of the second and fourth order due to tunneling form combined modes with gamma factors almost 2.5 times smaller than the gamma factor of the fundamental mode of a multimode waveguide, therefore, the threshold condition is not satisfied for combined modes 20 .

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Инжекционный лазер содержит многомодовый волновод (2), первый и второй широкозонные ограничительные слои (3), (6), являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода (2), активную область (1), расположенную в многомодовом волноводе (2) и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты (8), (9) и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом (2) и одним из первого и второго ограничительных слоев (3), (б) введены, по меньшей мере, первый одномодовый волновод (5) и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой (4). Фактор оптического ограничения Гm QW для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода (2), толщина Р 1 и показатель преломленияn P1 первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя (4), эффективный показатель преломления N m собственной m-моды многомодового волновода (2), эффективный показатель преломления N d1 собственной моды первого одномодового волновода (5) удовлетворяют определенным соотношениям.

Description

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее - к полупроводниковым инжекционным лазерам и может найти применение в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, в оборудовании для обработки материалов, в метрологии, полиграфии, медицине, системах оптической локации, робототехнике и других отраслях.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подавляющее большинство полупроводниковых инжекционных лазеров выполняют в виде торцевых излучателей с полосковым контактом. Важными задачами разработки таких излучателей является максимальное повышение мощности излучения и улучшение качества лазерного пучка. Типичный торцевой полупроводниковый инжекционный лазер состоит из квантоворазмерной активной области, находящейся в нелегированном или слаболегированном волноводе. Волновод с двух сторон заключен между ограничительными слоями, имеющими меньший показатель преломления, чем волноводный слой. Ограничительные слои обычно выполняют роль эмиттеров, для чего один ограничительный слой легируют примесью /т-типа, другой - примесью >типа. Параметры волновода определяют модовый состав лазерного излучения. В общем случае может существовать несколько поперечных оптических мод, которые различают порядком т. Основная или фундаментальная мода имеет нулевой порядок (т=0). Излучательная рекомбинация инжектированных электронов и дырок в активной области приводит к возникновению усиления света. При достижении величины тока накачки выше порогового значения начинается лазерная генерация. Пороговое условие лазерной генерации:
Figure imgf000003_0001
ftint,m + Oout,m ,
где g - материальное усиление в активной области,
Π ν - фактор оптического ограничения (гамма-фактор) для активной области оптической моды /я-лорядка,
aint,m, aout,m - внутренние и внешние оптические потери для оптической моды
/77-порядка, соответственно.
В общем случае количество и профиль мод оптического волновода зависят от толщины волновода и показателей преломления волновода и ограничительных слоев. При увеличении толщины волновода при достижении определённой критической величины, зависящей от показателей преломления волноводного и ограничительных слоёв, волновод может поддерживать моды высокого порядка. Таким образом, расширение лазерного волновода может приводить к лазерной генерации на модах высокого порядка и к многомодовой 5 генерации. Это ведёт к расширению диаграммы направленности излучения в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, и к возникновению в ней дополнительных максимумов, что ухудшает свойства лазера с точки зрения его практического применения. Расширение волновода при условии сохранения одномодового характера излучения имеет положительные эффекты: ю фундаментальная мода в более широком волноводе имеет меньший угол расходимости в диаграмме направленности; в более широком волноводе уменьшена плотность оптической мощности на лазерных зеркалах, что увеличивает их деградационную стойкость; уменьшаются оптические потери на свободных носителях в высоколегированных эмиттерах, поскольку в
15 расширенном волноводе фундаментальная мода сильнее локализована в волноводном слаболегированном слое. Эти преимущества расширенного волновода особенно актуальны для полупроводниковых инжекционных лазеров повышенной мощности.
Известны различные подходы для увеличения размера излучающей
20 области инжекционных лазеров и, соответственно, уменьшения расходимости лазерного пучка.
Так, известен инжекционный лазер (см. заявка US20100150196, МПК H01S5/00, опубликована 17.06.2010), состоящий последовательно из первого ограничительного слоя для ограничения оптической моды, первого волноводного
25 слоя для распространения оптической моды, разделительного слоя для разделения оптической моды, второго волноводного слоя для распространения оптической моды, активного слоя для генерации оптической моды, третьего волноводного слоя для распространения оптической моды и второго ограничительного слоя для ограничения оптической моды. При этом первый,
30 второй и третий волноводные слои имеют одинаковый показатель преломления, а первый ограничительный слой, разделительный слой, второй ограничительный слой имеют показатели преломления, меньшие показателей преломления первого, второго и третьего волноводных слоёв. В известном инжекционном лазере три волноводных слоя являются составными частями одного волновода,
35 который поддерживает только одну оптическую моду. Размер моды увеличен за счёт её проникновения в ограничительные слои. Увеличенный размер моды позволил сузить расходимость лазерного пучка до величин меньше 24 градусов (по уровню 0,5). Использование разделительного слоя формирует плечо в профиле распределения моды, пространственно совпадающее с активной областью, за счёт чего увеличивается фактор оптического ограничения.
Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является существенное проникновение оптической моды в легированные ограничительные слои, что увеличивает оптические потери. Дальнейшее уменьшение расходимости лазерного пучка возможно только при увеличении толщин волноводных слоёв и снижении скачка показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями, что ещё больше увеличивает проникновение моды в ограничительные слои.
Известен инжекционный лазер (см. патент US5923689, МПК H01S3/19, опубликован 13.07.1999), состоящий послойно из GaAs подложки п-тта, GaAs буферного слоя /т-типа толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирующей примеси 21018 см"3, А1о,51п0,5Р ограничительного слоя я-типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 41017 см"3, (Alo,6Ga0,4)o,5lno,5P пассивного волновода /т-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4'1017 см"3, А1о,51п0,5 барьерного слоя для пассивного волновода п-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 41017 см"3, (Alo,6Gao,4)0,5ln0,5P оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, Gao(42Ino,58P напряжённой квантовой ямы собственного типа толщиной 80 ангстрем, (Alo^Gao^^sIno^P оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, Al0,5oIno,s барьерного слоя для пассивного волновода р-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 5 017 см"3, (Alo,6Ga0,4)o,5lno,5P пассивного волновода р-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 51017 см"3, Alo.5Ino.5P ограничительного слоя -типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 5 017 см"3, GalnP слоя р-типа толщиной 100 ангстрем с концентрацией легирующей примеси НО18 см"3, GaAs проводящего слоя р-тта толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4 019 см 3.Волновод известного инжекционного лазера поддерживает генерацию нулевой моды, которая распространяется по всем трём волноводным слоям.
В известном лазере удалось уменьшить расходимость лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до 18 градусов (по уровню 0,5). Однако в нем значительная часть оптической моды распространяется по легированным пассивным волноводным слоям, что увеличивает оптические потери. В пространственном распределении моды присутствуют дополнительные максимумы, поэтому профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля. Соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.
Известен инжекционный лазер (см. заявка US20130287057, МПК H01S5/20, опубликована 31.10.2013), состоящий из первого ограничительного слоя п-типа проводимости, первого волноводного слоя п-тта проводимости, прилегающего к первому ограничительному слою, активного слоя, способного генерировать излучение, примыкающего к первому волноводному слою, второго волноводного слоя -типа проводимости, прилегающего к активному слою, второго ограничительного слоя р-типа проводимости, прилегающего ко второму волноводному слою. При этом сумма толщин первого волноводного слоя, активного слоя и второго волноводного слоя больше 1 мкм, а толщина второго волноводного слоя меньше 150 нм. Кроме того, активный слой, первый ограничительный слой, второй ограничительный слой, первый волноводный слой и второй волноводный слой таковы, что максимум интенсивности фундаментальной моды находится в области вне активного слоя, а разница показателей преломления первого волноводного слоя и первого ограничительного слоя лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01. Известный инжекционный лазер имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по первому волноводному слою. Малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем обеспечивает утекание мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счёт чего моды высокого порядка не участвуют в лазерной генерации. Расширение волновода позволяет сузить диаграмму направленности лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до величин менее 50 градусов (ширина пучка, содержащая 95% оптической мощности).
В то же время в известном лазере малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем делает конструкцию чувствительной к изменениям показателей преломления слоёв в процессе работы лазера; значительная часть нулевой моды распространяется по легированным первому волноводному слою и первому ограничительному слою, что приводит к высоким оптическим потерям; конструкция не применима в случае большого числа активных слоев, когда показатель преломления активной области существенно влияет на волноводные свойства.
Известен инжекционный лазер (см. заявка US20040208215, МПК H01S3/08, опубликована 21.10.2004), содержащий /т-легированную область, по меньшей мере, часть которого содержит фотонный кристалл, включая слоистый, состоящий, по меньшей мере, из одного слоя. Каждый слой легирован примесью л-типа, слоистая структура имеет пространственную периодическую модуляцию показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению распространения света; дефект, граничащий с фотонным кристаллом. Этот дефект содержит слой, генерирующий свет при протекании инжектирующего тока, когда приложено прямое смещение, первый тонкий туннельный барьер для электронов, расположенный с ^стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные />слои и нелегированные слои, второй туннельный барьер для дырок, расположенный с -стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные р-спон и нелегированные слои, два слоя, между которыми находится первый туннельный барьер, два слоя, между которыми находится второй туннельный барьер. Инжекционный лазер также содержит /7-легированную слоистую структуру, содержащую, по меньшей мере, один слой, каждый слой легирован примесью уо-типа. Эта слоистая структура расположена около дефекта на стороне противоположной от ^-легированной области. Эта /Р-легированная слоистая структура имеет показатель преломления, препятствующий расширению фундаментальной моды в эту структуру и в -контакт.
В известном инжекционном лазере фундаментальная мода локализована на дефекте, а остальные моды растянуты по фотонному кристаллу, при этом толщина фотонного кристалла и дефект обеспечивают малую расходимость светового пучка. При использовании фотонного кристалла при толщине волновода 13,16 мкм можно уменьшить расходимость лазерного пучка до 4 градусов (по уровню 0,5). Конструкция может быть реализована для полупроводниковых лазеров, излучающих в разных спектральных диапазонах. Недостатком известного инжекционного лазера является содержание большое количество слоёв в широком волноводе на основе фотонного кристалла, толщина и состав которых должны прецизионно контролироваться, что делает конструкцию технологически сложной для воспроизведения; кроме того, для уменьшения последовательного электрического сопротивления волновод легируют, что приводит к значительным оптическим потерям; профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля, соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.
Известен инжекционный лазер (см. A.Pietrzak, et al., High-power laser diodes emitting light above 1100 nm with a small vertical divergence angle of 13°. - Optics Letters, Vol. 33, No. 19, p. 2188, 2008), который включает первый и второй ограничительные слои, между которыми находится волновод толщиной вплоть до 5 мкм. В середине волноводного слоя находится активная область на основе квантовых ям. Толщина ограничительных слоёв составляет величину 350 нм. Толщина волноводного слоя и контраст показателя преломления между волноводным и ограничительными слоями допускает существование в волноводе мод высокого порядка. За счёт тонких ограничительных слоёв моды высокого порядка эффективно проникают в прилежащие к ним слои. Такими прилежащими слоями являются контактный слой и подложка. Оба слоя имеют высокое легирование, поэтому оптическая мода, распространяющаяся по этим слоям, имеет значительное оптическое поглощение, и для неё не выполняется пороговое условие генерации. Волноводы такого типа за счёт малых внутренних оптических потерь для фундаментальной моды позволяют изготавливать лазеры с длиной резонатора вплоть до 8 мм и получать оптические мощности до нескольких Ватт. Профиль оптической моды хорошо описывается функцией Гаусса, что положительным образом сказывается на качестве лазерного пучка. Конструкция позволяет получать лазерный пучок с расходимостью менее 15 градусов (по уровню 0,5) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры лазера.
Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является чувствительность к выбору толщин и составов волноводных и ограничительных слоёв. В процессе работы известного лазера за счёт разогрева и токовой инжекции изменяются показатели преломления волноводных и ограничительных слоёв, что в отдельных случаях приводит к генерации мод высокого порядка, в том числе мод, отражённых от нижней поверхности подложки, и мод, переотражённых в верхнем контактном слое.
Известен инжекционный лазер (см. патент US8355419, МПК H01S5/00, опубликован 15.01.2013), включающий вертикальный волновод, содержащий 5 первую полость (первый волновод), первый отражатель, расположенный с одной стороны от первой полости, второй отражатель, расположенный со второй стороны первой полости, напротив первого отражателя, по меньшей мере, одну вторую полость (второй волновод), расположенную со стороны второго отражателя напротив первого отражателя, по меньшей мере, один третий
Ю отражатель, расположенный на стороне второй полости напротив первого отражателя; светогенерирующий элемент, расположенный в пределах первой полости и способный производить оптическое усиление инжектированием тока при приложении прямого смещения; подложку, инжектор и продольный резонатор. Типичная толщина широкого волновода составляет 10-30 мкм. В
15 качестве второго волновода может выступать подложка инжекционного лазера.
Оптические моды двух волноводов взаимодействуют и образуют комбинированную моду, которая распространяется одновременно по двум волноводам. Диаграмма направленности этой моды в вертикальном направлении представляет собой два узких пика, направленных под углом к оси резонатора.
20 Для подавления излучения между узкими пиками в диаграмме направленности в конструкцию известного лазера вводят элементы, препятствующие выводу излучения из узкого волновода через торцевые грани.
В известном инжекционном лазере лазерная генерация происходит на моде высокого порядка, за счёт чего диаграмма направленности излучения
25 состоит из двух пучков, каждый из которых направлен под углом к зеркалу, что затрудняет фокусировку излучения; использование легированного широкого пассивного волновода или легированной подложки приводит к росту оптических потерь, что препятствует использованию известного инжекционного лазера для получения высоких оптических мощностей.
30 Известен инжекционный лазер, наиболее близкий по технической сущности и совпадающий с настоящим решением по совокупности существенных признаков (см. патент RU2259620, МПК H01S5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои
35 которого одновременно являются эмиттерами р- и /т-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:
5 где
Figure imgf000010_0001
факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды т (/77=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 ю толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения. Расстояния от активной области до р- и /т-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.
В известном лазере-прототипе лазерная генерация на модах высокого порядка подавлена за счёт уменьшения для этих мод фактора оптического
15 ограничения. Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Однако в случае большого числа активных слоев фактор оптического ограничения слабо зависит от асимметрии положения активной области. Известный лазер-прототип имеет увеличенный порог лазерной генерации для
20 фундаментальной моды, для него существуют ограничения по числу подавляемых мод, так как эффективно подавляется только мода второго порядка.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего технического решения являлась разработка 25 инжекционного лазера, имеющего уменьшенную расходимость лазерного пучка в направлении, перпендикулярном слоям структуры, и увеличенную толщину волновода при сохранении лазерной генерации на фундаментальной поперечной моде.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных зо единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости 35 и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую, по меньшей мере, из одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый 5 волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения
Figure imgf000011_0001
ДЛЯ активной области одной собственной /77-моды (/77 - целое положительное число) многомодового волновода удовлетворяет ю соотношению:
Figure imgf000011_0002
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
Толщина Р], нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного 15 слоя, эффективный показатель преломления собственной моды первого одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Nd = Nm + k .(nf -ns).
Р. - Я - , 1
Figure imgf000011_0003
где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 25 -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
Л - длина волны излучения, нм;
nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу 30 одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоёв; "-p. - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
По второму варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает 5 многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и ю оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Между
15 многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения Γ ςνν для активной области
20 собственной /тт-моды (/77 - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения QW для активной области собственной /7-моды (п - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000012_0001
25 f°Qw -ί 1,7 Q -ί 2Г°с Q;W I
где r°QW - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nai собственной моды первого 30 одномодового волновода, толщина Ръ нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0002
где Nm - эффективный показатель преломления собственной т-моды многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
ю rif - показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /т-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; Л - длина волны излучения, нм;
15 Р«- показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
p» - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
По третьему варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на
20 основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей
25 мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения Г7^ для активной области собственной m-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения QW для активной области собственной я-моды (п - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000014_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
Толщина i, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода, толщина 2, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000014_0002
где Nm - эффективный показатель преломления собственной т-моды многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < * < 0,07; rif- показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /7-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; 5 λ - длина волны излучения, нм;
пРг - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пр* - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
Ю nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоёв.
По четвертому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои,
15 являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и
20 второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым
25 одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и другим из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный
30 ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения
Figure imgf000015_0001
для активной области собственной /тт-моды (/77 - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения rQW для активной области собственной /7-моды (п - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода и фактор оптического ограничения
Figure imgf000016_0001
ДЛЯ активной области собственной Ζ-моды (Z. - целое положительное число, не равное т и п) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000016_0002
r°Qw -ί 1,7Г /у - 2Γ°ς QW ;
Figure imgf000016_0003
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
ю Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р3, нм,
15 третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd3 собственной моды третьего одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000016_0004
25 ns = max(nP1,nP3) · где Nm - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода; k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /?-моды многомодового 5 волновода;
NL - эффективный показатель преломления собственной /.-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; Л - длина волны излучения, нм;
ю ηΡι - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
np - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
рз - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного
15 ограничительного слоя.
По пятому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и я-типа проводимости
20 и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод,
25 первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный
30 ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены третий одномодовый волновод, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой, четвёртый одномодовый волновод и четвёртый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между третьим одномодовым волноводом и четвертым одномодовым 5 волноводом. Фактор оптического ограничения Γ /ν ДЛЯ активной области собственной /77-моды (/л - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения H QW ДЛЯ активной области собственной /7-моды (п - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода, фактор оптического ограничения -QVJ для активной ю области собственной / моды (Z. - целое положительное число, не равное т и п) многомодового волновода и фактор оптического ограничения rj QW для активной области собственной /моды ( - целое положительное число, не равное /77, ли L) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000018_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
20 Толщина Pi, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления TVdi собственной моды первого одномодового волновода, толщина Рг, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р3, нм,
25 третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd3 собственной моды третьего одномодового волновода, толщина Р4, нм, четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd4 собственной моды четвёртого одномодового волновода и минимальное значение ns 30 эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000018_0002
Ndi = Nn + k (nf-ns)
Figure imgf000019_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды
Ю многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /7-моды многомодового 15 волновода;
NL - эффективный показатель преломления собственной /.-моды многомодового волновода;
Nj - эффективный показатель преломления собственной моды многомодового волновода;
20 q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
Л - длина волны излучения, нм;
пР1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пРт - показатель преломления второго дополнительного широкозонного 25 ограничительного слоя; p. - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пр* - показатель преломления четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
5 Настоящее изобретение основано на эффекте туннелирования излучения между двумя оптическими волноводами, расположенными друг от друга на расстоянии порядка глубины проникновения оптической моды в слои, разделяющие волноводы (C.R.Pollock, M.Lipson, Integrated Photonics, Springer, 2004, с. 255-259). Условие эффективного туннелирования мод между двумя ю связанными оптическими волноводами - это совпадение постоянных распространения собственных мод двух волноводов. Это условие также может быть сформулировано как равенство эффективных показателей преломления собственных мод двух волноводов. При таком резонансном взаимодействии двух туннельно-связанных волноводов собственная мода одного волновода и
15 собственная мода другого волновода туннелируют между волноводами с образованием двух комбинированных мод, распространяющихся одновременно по двум волноводам. Интенсивность каждой комбинированной моды распределена поровну между двумя волноводами. Туннелирование возможно между волноводами, имеющими существенно разную толщину.
20 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически показан в разрезе первый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащий первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой;
25 на фиг. 2 приведено схематическое изображение профиля 13 показателя преломления широкого многомодового волновода, туннельно-связанного с узким первым одномодовым волноводом, и распределение интенсивности 14 фундаментальной моды и интенсивности 15 одной комбинированной моды, возникшей при туннелировании собственной моды второго порядка;
30 на фиг. 3 схематически показан в разрезе второй вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от
35 многомодового волновода; на фиг. 4 схематически показан в разрезе третий вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода;
5 на фиг. 5 схематически показан в разрезе четвертый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода, и третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный слой,
Ю расположенные с другой стороны от многомодового волновода;
на фиг. 6 схематически показан в разрезе пятый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои с одной стороны от многомодового волновода и третий и четвертый одномодовые
15 волноводы и третий и четвертый дополнительные широкозонные ограничительные слои с другой стороны от многомодового волновода.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) содержит квантоворазмерную активную область 1, находящуюся в многомодовом
20 нелегированном или слаболегированном волноводе 2, для фундаментальной моды которого выполняется пороговое условие. Многомодовый волновод 2 с одной стороны ограничен первым широкозонным ограничительным слоем 3, являющимся одновременно эмиттером, например, р-тта проводимости. С другой стороны многомодовый волновод 2 через первый дополнительный широкозонный
25 ограничительный слой 4 туннельно связан с первым одномодовым волноводом 5, который ограничен вторым широкозонным ограничительным слоем 6, являющимся одновременно эмиттером, например, п-типа проводимости. Слои лазерной структуры выращивают на легированной полупроводниковой подложке 7, к которой формируют омический контакт 8. Второй омический контакт 9
30 формируют к высоколегированному полупроводниковому контактному слою 10, примыкающему к первому широкозонному ограничительному слою 3. Излучение выводится из лазерной структуры через зеркала 11 и 12резонатора. Пороговое условие также выполняется ещё для одной собственной /я-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода 2. Фактор оптического ограничения P QW ДЛЯ активной области собственной /я-моды многомодового волновода 2 удовлетворяет соотношению:
Figure imgf000022_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 2.
Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода 5 и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 2 удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000022_0002
где Nm- эффективный показатель преломления собственной ш-моды многомодового волновода 2;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода 2;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; λ - длина волны излучения, нм;
nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу первого широкозонного ограничительного слоя 3;
Ρι - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4.
Второй вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 3) и третий вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 4) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличаются, прежде всего, тем, что в многомодовом волноводе 16, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для двух собственных мод высокого порядка: собственной 77-моды (/я - целое положительное число) и собственной />моды (л - целое положительное число, не равное т). Фактор оптического ограничения
Figure imgf000023_0001
ДЛЯ активной области собственной /л-моды многомодового волновода 16 и фактор оптического ограничения rQW для активной области собственной /7-моды многомодового волновода 16 удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000023_0002
где r°QW - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 16.
Второй вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 3) от первого ю варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается также тем, что между многомодовым волноводом 16 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены первый одномодовый волновод 17 и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18 расположен между
15 многомодовым волноводом 16 и первым одномодовым волноводом 17. Между многомодовым волноводом 16 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены второй одномодовый волновод 19 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20. Второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20 расположен между многомодовым волноводом 16 и
20 вторым одномодовым волноводом 19. Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода 17, толщина 2, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго 25 одномодового волновода 19 и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 16 удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000023_0003
Ndi = Nn + k (nf -ns) .
Figure imgf000023_0004
Figure imgf000024_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 16;
5 к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода 16;
Nn - эффективный показатель преломления собственной >моды многомодового волновода 16;
ю q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
λ - длина волны излучения, нм;
Pt - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18;
пр г - показатель преломления второго дополнительного широкозонного
15 ограничительного слоя 20.
Третий вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 4) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается также тем, что между многомодовым волноводом 16 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены первый одномодовый волновод 17, первый
20 дополнительный широкозонный ограничительный слой 18, второй одномодовый волновод 19 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18 расположен между многомодовым волноводом 16 и первым одномодовым волноводом 17, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20 расположен
25 между первым одномодовым волноводом 17 и вторым одномодовым волноводом 19. Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода 17, толщина Рг, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20, эффективный показатель 30 преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода 19 и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000025_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной т-моды многомодового волновода 16;
ю к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода 16 ;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /?-моды многомодового волновода 16;
15 q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
λ - длина волны излучения, нм;
Ρι - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18;
пРг - показатель преломления второго дополнительного широкозонного
20 ограничительного слоя 20;
nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу первого широкозонного ограничительного слоя 3.
Четвёртый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 5) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается тем,
25 что в многомодовом волноводе 21, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для трёх собственных мод высокого порядка: собственной /я-моды (т - целое положительное число), собственной п- моды (/7 - целое положительное число, не равное т) и собственной /.-моды (Ζ. - целое положительное число, не равное т и п). Фактор оптического ограничения для активной области собственной /я-моды многомодового волновода 21, фактор оптического ограничения Γ ν ДЛЯ активной области собственной /т-моды многомодового волновода 21 и фактор оптического ограничения I^QW ДЛЯ активной области собственной /.-моды многомодового волновода 21 5 удовлетворяют соотношениям:
r°Qw -ί l,7rrT1Qw -ί 2I~°QW ;
Figure imgf000026_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды ю многомодового волновода 21. Между многомодовым волноводом 21 и вторым широкозонным ограничительным слоев 6 введены первый одномодовый волновод 22, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 23, второй одномодовый волновод 24 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 25, при этом первый дополнительный широкозонный
15 ограничительный слой 23 расположен между многомодовым волноводом 21 и первым одномодовым волноводом 22, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 25 расположен между первым одномодовым волноводом 22 и вторым одномодовым волноводом 24, между многомодовым волноводом 21 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены третий одномодовый
20 волновод 26 и третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 27, при этом третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 27 расположен между многомодовым волноводом 21 и третьим одномодовым волноводом 26. Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 23, эффективный показатель преломления N&\ 25 собственной моды первого одномодового волновода 22, толщина P , нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 25, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода 24, толщина Р3, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 27, эффективный показатель преломления Л^з собственной моды третьего
30 одномодового волновода 26 и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 21 удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0002
λ
"PI
Figure imgf000027_0003
λ
Ύ12
Figure imgf000027_0004
где Nm - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 21;
А: - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif - показатель преломления многомодового волновода 21;
Nn - эффективный показатель преломления собственной />моды многомодового волновода 21;
NL - эффективный показатель преломления собственной /.-моды многомодового волновода 21;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; λ - длина волны излучения, нм;
nPt - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 23;
пр. - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 25;
прз - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 27.
Пятый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 6) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается тем, что в многомодовом волноводе 28, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для четырёх собственных мод высокого порядка: собственной /77-моды (т - целое положительное число), собственной /7-моды (/7 - целое положительное число, не равное т), собственной /.-моды (/ - целое положительное число, не равное т и п) и собственной /моды ( - целое 5 положительное число, не равное т, L). Фактор оптического ограничения ςνν для активной области собственной /тт-моды многомодового волновода 28, фактор оптического ограничения QW для активной области собственной /7-моды многомодового волновода 28, фактор оптического ограничения Γςνν для активной области собственной /.-моды многомодового волновода 28 и фактор ю оптического ограничения PQW ДЛЯ активной области собственной /моды многомодового волновода 28 удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000028_0001
где r°QW - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 28. Между многомодовым волноводом 28 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены первый одномодовый волновод 29, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 30,
20 второй одномодовый волновод 31 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 32, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 30 расположен между многомодовым волноводом 28 и первым одномодовым волноводом 29, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 32 расположен между первым одномодовым волноводом
25 29 и вторым одномодовым волноводом 31, между многомодовым волноводом 28 и вторым широкозонным ограничительным слоем б введены третий одномодовый волновод 33, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 34, четвёртый одномодовый волновод 35 и четвёртый дополнительный широкозонный ограничительный слой 36, при этом третий дополнительный зо широкозонный ограничительный слой 34 расположен между многомодовым волноводом 28 и третьим одномодовым волноводом 33, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой 36 расположен между третьим одномодовым волноводом 33 и четвертым одномодовым волноводом 35. Толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 30, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода 29, толщина 2, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 32, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода 31,
5 толщина Р3, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 34, эффективный показатель преломления Nd3 собственной моды третьего одномодового волновода 33, толщина Р4, нм, четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 36, эффективный показатель преломления
Figure imgf000029_0001
собственной моды четвёртого одномодового волновода 35 и ю минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000029_0002
λ
P, = q
n2 λ
P* = q - rLP2
λ
. = q
2 λ
P^ q ns = max (ПР1' Рз) .
20
где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 28;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07; rif- показатель преломления многомодового волновода 28;
Nn - эффективный показатель преломления собственной я-моды многомодового волновода 28;
NL - эффективный показатель преломления собственной Ζ,-моды многомодового волновода 28;
Nj - эффективный показатель преломления собственной /моды многомодового волновода 28;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; λ - длина волны излучения, нм;
пР1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 30;
пРг - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 32;
пр, - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 34;
р* - показатель преломления четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 36.
Первый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) работает следующим образом. Через омический контакты 8, 9 в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причём режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению /?-/7-перехода. При превышении током, пропускаемым через инжекционный лазер, порогового значения, через зеркала резонатора 11, 12 выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины тока, пропускаемого через лазерную гетероструктуру. В режиме лазерной генерации пороговое условие выполняется для фундаментальной моды многомодового волновода 2, и она участвует в лазерной генерации.
Пороговое условие также выполняется ещё для одной собственной т- моды многомодового волновода 2, имеющей эффективный показатель преломления Nm. Критерием выполнимости порогового условия для /77-моды служит соотношение её фактора оптического ограничения для активной области Γ ν и фактора оптического ограничения для активной области r°QW нулевой моды многомодового волновода 2: (1)
За счёт туннелирования собственная ят-мода многомодового волновода 2 утекает в первый одномодовый волновод 5, единственная собственная мода которого имеет эффективный показатель преломления Nn, и образуются 5 комбинированные моды. Интенсивность комбинированной моды распределена примерно поровну между волноводами 2 и 5. Таким образом, /77-мода туннельно- связанного многомодового волновода 2 исключается из процесса лазерной генерации. При этом параметры фундаментальной моды многомодового волновода 2 практически не изменяются. Если отношение фактора оптического ю ограничения для активной области Γ ν собственной /тт-моды к фактору оптического ограничения для активной области Γ ν нулевой моды многомодового волновода слишком велико, то утекания собственной /77-моды будет недостаточно для исключения её из процесса лазерной генерации. Поэтому введём соотношение, ограничивающее максимальное значение фактора
15 оптического ограничения для активной области P QW собственной ят-моды:
Г ДГ%,/2) > 1,7 . (2)
Объединяя неравенства (1) и (2), получаем предельные значения для фактора оптического ограничения для активной области Π ν собственной /77-моды многомодового волновода 2:
Figure imgf000031_0001
На фиг. 2 схематически показаны профиль 13 показателя преломления многомодового волновода 2, туннельно-связанного с первым одномодовым волноводом 5, и распределение интенсивностей 14, 15, соответственно, фундаментальной моды многомодового волновода 2 и одной комбинированной 25 моды, возникшей при туннелировании собственной /77-моды (/тт=2) в первый одномодовый волновод 5.
Условие резонансного туннелирования мод между двумя связанными волноводами 2 и 5:
Νάί = Ν™. (3)
30 При отклонении эффективного показателя преломления Ndi от резонанса ухудшается туннелирование собственной /тт-моды многомодового волновода 2 в первый одномодовый волновод 5. Эффективный показатель преломления Nm собственной 77-моды многомодового волновода 2 (T.Numai, Fundamentals of Semiconductor Lasers, Springer, 2004, c. 50-53) может иметь значения, лежащие в пределах:
η,, Nm <η
(4)
где rif - показатель преломления многомодового волновода 2, а
Figure imgf000032_0001
минимальное значение эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 2, которое равно наибольшему из показателей преломления ограничивающих слоёв, примыкающих к многомодовому волноводу 2, nci - показатель преломления широкозонного ограничительного слоя 3, иР1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4.
Для настоящей конструкции инжекционного лазера с учётом неравенства
(4) введены пределы отклонения эффективного показателя преломления Ndi от резонанса (3), при которых туннелирование собственной /77-моды из многомодового волновода 2 ещё будет достаточным для исключения её из процесса лазерной генерации:
Figure imgf000032_0002
Используя неравенство (5) и введя безразмерный численный коэффициент к, лежащий в диапазоне от -0,07 до 0,07, введём соотношение для Ν^ι и Nm, при котором туннелирование собственной #7-моды из многомодового волновода 2 в первый одномодовый волновод 5 ещё будет достаточным для исключения её из процесса лазерной генерации:
Figure imgf000032_0003
Для обеспечения эффективного туннелирования между волноводами 2, 5 толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 должна быть сопоставима с эффективной глубиной проникновения собственной 77 -моды из многомодового волновода 2 в первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 4:
Figure imgf000032_0004
где А - длина волны излучения, нм, q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне от 0,5 до 2, задающий нижний и верхний предел, соответственно, для толщины первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4. При толщине первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 меньше нижнего предела взаимное влияние волноводов становится слишком сильным, что приводит к сильной чувствительности пространственного распределения комбинированных мод к параметрам 5 волноводов. При толщине первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 больше верхнего предела ухудшается оптическое туннелирование между двумя волноводами 2, 5, и комбинированные моды становятся нестабильными.
В настоящем инжекционном лазере многомодовый волновод может быть ю туннельно связан с несколькими одномодовыми волноводами. Например, в пятом варианте настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 6) широкий многомодовый волновод 28 туннельно связан с четырьмя одномодовыми волноводами 29, 31, 33 и 35. С каждой стороны многомодового волновода 28 расположены по два одномодовых волновода и по два дополнительных широкозонных
15 ограничительных слоя. Все одномодовые волноводы 29, 31, 33 и 35 имеют разные эффективные показатели преломления. Этот вариант настоящего инжекционного лазера работает следующим образом. Через омический контакты 8, 9 в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причём режим работы инжекционного лазера соответствует
20 прямому смещению р-п перехода. При превышении током, пропускаемым через инжекционный лазер, порогового значения, через зеркала резонатора 11, 12 выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины тока, пропускаемого через лазерную гетероструктуру. В режиме лазерной генерации пороговое условие выполняется
25 для фундаментальной моды многомодового волновода 28, и она участвует в лазерной генерации. В многомодовом волноводе 28 пороговое условие лазерной генерации выполняется также для четырёх собственных мод высокого порядка, количество которых равно количеству одномодовых волноводов. За счёт резонансного туннелирования каждая из этих собственных мод утекает в один из
30 одномодовых волноводов, совпадающий с ней по эффективному показателю преломления, с образованием комбинированных мод. При этом в одномодовые волноводы 31 и 35 собственные моды высокого порядка многомодового волновода 28 туннелируют через одномодовые волноводы 29 и 33, соответственно, и через дополнительные широкозонные ограничительные слои
35 30, 32 и 34, 36. Возможность такого сквозного туннелирования через одномодовые волноводы 29 и 33 связана с тем, что все одномодовые волноводы 29, 31, 33 и 35 имеют разные эффективные показатели преломления. Использование большего количества одномодовых волноводов с каждой стороны от многомодового волновода 28 будет приводить к сильному взаимному влиянию 5 одномодовых волноводов и к ослаблению туннелирования собственных мод высокого порядка в одномодовые волноводы.
Таким образом, в процессе работы настоящего инжекционного лазера собственные моды высокого порядка многомодового волновода 28, для которых выполнялось пороговое условие, исключаются из процесса лазерной генерации. ю При этом параметры фундаментальной моды многомодового волновода 28 практически не изменяются. Параметры многомодового волновода 28 и туннельно-связанных с ним одномодовых волноводов 29, 31, 33 и 35 определяются аналогично методике определения параметров многомодового волновода 2, одномодового волновода 5 и дополнительного широкозонного
15 ограничительного слоя 4 для первого варианта настоящего инжекционного лазера.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Пример 1. Были изготовлены для сравнительных испытаний два
20 инжекционных лазера наиболее распространенного типа (лазер, излучающий на фундаментальной поперечной моде, и лазер, излучающий на двух поперечных модах) и настоящий инжекционный лазер (первый вариант). Лазеры выращивались на подложках GaAs с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. В таблице I
25 представлено описание толщин и составов слоёв волновода лазера наиболее распространенного типа, в котором активная область расположена в середине двухмодового волновода. При этом пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды, для которой гамма-фактор составляет 1,6 %. Расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной слоям структуры,
30 составляла 35 град, (по уровню 0,5). Расширение волновода приводило к возможности существования в нём мод более высоких порядков.
Волновод толщиной 2,5 мкм, представленный в таблице II, имел четыре собственных моды: от нулевой до третьей. Для фундаментальной моды и моды второго порядка выполнялось пороговое условие. Лазер на основе этого
35 волновода является многомодовым. Таблица I. Толщины и составы слоёв волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде.
Figure imgf000035_0001
5 Таблица П. Толщины и составы слоёв широкого многомодового волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера, излучающего на двух поперечных модах.
Figure imgf000035_0002
В таблице III для настоящего лазера представлено описание ю многомодового волновода толщиной 2,5 мкм, который через первый дополнительный широкозонный ограничительный слой толщиной 0,25 мкм туннельно связан с первым одномодовым волноводом толщиной 0,55 мкм.
Таблица III. Толщины и составы слоёв широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой.
Figure imgf000036_0001
Собственная мода второго порядка многомодового волновода туннелировала в первый одномодовый волновод с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для неё в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 23 град, (по уровню 0,5). В таблице IV приведены значения гамма-фактора для оптических мод многомодового волновода лазера наиболее распространенного типа и многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с первым одномодовым волноводом. Гамма-факторы фундаментальных мод для обоих лазеров одинаковые. Моды первого и третьего порядка в обоих лазерах имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие. Гамма-фактор моды второго порядка волновода лазера наиболее распространенного типа в 1,2 раза меньше гамма- фактора фундаментальной моды и для неё выполняется пороговое условие.
Таблица IV. Сравнительные параметры оптических мод широкого многомодового волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера и широкого волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой.
Figure imgf000037_0001
В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственная мода второго порядка за счёт туннелирования образует комбинированные моды с гамма-фактором в 2,2 раза меньшим, чем гамма- фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому для комбинированных мод пороговое условие не выполняется. Комбинированные моды в значительной части распространяются по первому дополнительному широкозонному ограничительному слою и первому одномодовому волноводу, имеющим сильное легирование, за счёт чего они имеет оптические потери более 4,5 см"1, что ещё больше уменьшает вероятность выполнения для них порогового условия. Для сравнения, мода второго порядка в многомодовом волноводе лазера наиболее распространенного типа имеет в 3,6 раза меньшие оптические потери 1,3 см"1.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удаётся эффективно подавить лазерную генерацию на его собственной моде высокого порядка за счёт её оптического туннелирования через дополнительный широкозонный ограничительный слой в узкий одномодовый волновод. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.
Пример 2. Был изготовлен для испытаний настоящий инжекционный лазер (третий вариант). Лазер выращивался на подложкеСаАБ с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. В таблице V для настоящего лазера представлено описание
Таблица V. Толщины и составы слоёв широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной
5 поперечной моде, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода
Figure imgf000038_0001
многомодового волновода толщиной 3,6 мкм, который через широкозонные ю ограничительные слои туннельно связан с двумя одномодовыми волноводами толщиной 0,3 мкм и 0,4 мкм, расположенными с одной стороны от многомодового волновода. Собственные моды второго и четвёртого порядка многомодового волновода туннелировали в одномодовые волноводы с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для неё в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 16 град, (по уровню 0,5). В таблице VI приведены значения гамма-фактора для оптических мод многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с двумя одномодовыми волноводами. Моды первого, третьего порядка и пятого порядка имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие,
Таблица VI. Значения гамма-фактора оптических мод широкого волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода.
Figure imgf000039_0001
В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственные моды второго и четвёртого порядка за счёт туннелирования образуют комбинированные моды с гамма-факторами почти в 2,5 раза меньшими, чем гамма-фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому для комбинированных мод пороговое условие не выполняется.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удаётся эффективно подавить лазерную генерацию на его собственных модах высокого порядка за счёт их оптического туннелирования через ограничительные слои в узкие одномодовые волноводы. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.
Пример 3. Был изготовлен для испытаний настоящий инжекционный лазер (второй вариант). Лазер выращивался на подложке GaAs с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. В таблице VII для настоящего лазера представлено описание многомодового волновода толщиной 3,6 мкм, который через широкозонные ограничительные слои туннельно связан с двумя одномодовыми волноводами толщиной 0,31 мкм и 0,32 мкм, расположенными с разных сторон от многомодового волновода.
Таблица VII. Толщины и составы слоев широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от многомодового волновода.
Figure imgf000040_0001
Собственные моды второго и четвёртого порядка многомодового волновода туннелировали в одномодовые волноводы с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для неё в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 16 град, (по уровню 0,5). В таблице VIII приведены значения гамма-фактора для оптических 5 мод многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с двумя одномодовыми волноводами. Моды первого, третьего порядка и пятого порядка имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие.
Таблица VIII. Значения гамма-фактора оптических мод широкого ю волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от многомодового волновода.
Figure imgf000041_0001
15
В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственные моды второго и четвёртого порядка за счёт туннелирования образуют комбинированные моды с гамма-факторами почти в 2,5 раза меньшими, чем гамма-фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому 20 для комбинированных мод пороговое условие не выполняется.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удаётся эффективно подавить лазерную генерацию на его собственных модах высокого порядка за счёт их оптического туннелирования через ограничительные слои в узкие одномодовые волноводы. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и 5 второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и я-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую, по меньшей мере, из одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический ю резонатор, отличающийся тем, что между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым
15 одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения [""QW ДЛЯ активной области одной собственной /77-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода удовлетворяет соотношению:
r°Q -ί l,7rr iQw < 2Γ°ι QW /
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды
20 многомодового волновода,
а толщина /,нм,первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N& собственной моды первого одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют
25 соотношениям:
Nd = Nm + k (nf -ns).
Figure imgf000043_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной т-моды
30 многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < * < 0,07; rif- показатель преломления многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
Я - длина волны излучения, нм;
nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоев;
Ρι - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
2. Инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор, отличающийся тем, что между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения f^w для активной области собственной /я-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения QW для активной области собственной />моды (п - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000044_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода,
а толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода, толщина Рг, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового 5 волновода удовлетворяют соотношениям:
ю
Figure imgf000045_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной т-моды многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
15 rif- показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной />моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; Л - длина волны излучения, нм;
20 nPt - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пРг - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
3. Инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры 25 раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и /7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор, отличающийся тем, что между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый 5 одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный ю широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения [""QW для активной области собственной /77-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения H QW ДЛЯ активной области собственной ^моды (п - целое
15 положительное число, не равное т) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
r°Qw -ί 1,7Π ν -ί 2I~°QW ;
Figure imgf000046_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды
20 многомодового волновода,
а толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N&\ собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления 25 Nd2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
зо
Figure imgf000046_0002
Figure imgf000047_0001
где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
5 к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной /?-моды многомодового волновода;
ю q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2;
Л - длина волны излучения, нм;
пр. - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пРг - показатель преломления второго дополнительного широкозонного
15 ограничительного слоя;
nci - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоёв.
4. Инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и
20 второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами р- и 7-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический
25 резонатор, отличающийся тем, что между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовыи волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный
30 широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовыи волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовыи волноводом и вторым одномодовым волноводом, между многомодовым волноводом и другим из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом третий дополнительный 5 широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения Г ¥ для активной области собственной /я-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения TQW ДЛЯ активной области собственной /т-моды (п - целое ю положительное число, не равное т) многомодового волновода и фактор оптического ограничения Г / ДЛЯ активной области собственной ..-моды (L - целое положительное число, не равное т и п) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000048_0001
15 r°Qw ^ 1,7Γ"ς ν -ί 2r°Qw ;
Figure imgf000048_0002
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода,
а толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного 20 слоя, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р2, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина з, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный 25 показатель преломления Nd3 собственной моды третьего одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000048_0003
Nd3 = Nn +k .(nf -ns) .
Nd, = NL + k {nf -ns) ; λ
Figure imgf000049_0001
5 где Nm - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
к - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < к < 0,07;
rif- показатель преломления многомодового волновода;
ю Nn - эффективный показатель преломления собственной /7-моды многомодового волновода;
NL " эффективный показатель преломления собственной .-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; 15 Л - длина волны излучения, нм;
npt - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
р. - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
20 ПРЗ - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
5. Инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения, включающей многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно 25 соответственно эмиттерами р- и л-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор, отличающийся тем, что между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом, между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены третий одномодовый волновод, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой, четвёртый одномодовый волновод и четвёртый дополнительный широкозонный ограничительный слой, при этом третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между третьим одномодовым волноводом и четвертым одномодовым волноводом, фактор оптического ограничения P QW для активной области собственной /77-моды (т - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения Г ¥ ДЛЯ активной области собственной я-моды (/? - целое положительное число, не равное т) многомодового волновода, фактор оптического ограничения rSjw для активной области собственной -моды (L - целое положительное число, не равное т и п) многомодового волновода и фактор оптического ограничения r3 QW для активной области собственной /моды ( - целое положительное число, не равное т, ли L) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000050_0001
где r°Qw - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода,
а толщина Р\, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Ndi собственной моды первого одномодового волновода, толщина Рг, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина 3, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd3 собственной моды третьего одномодового волновода, толщина Р4, нм, четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления Nd4 собственной моды четвёртого одномодового волновода и минимальное значение ns эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
Figure imgf000051_0001
η2
Figure imgf000051_0002
λ
Р, = ч
Figure imgf000051_0003
ns = max ( Р1' Рз) . где Nm- эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
£ - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07 < * < 0,07;
rif - показатель преломления многомодового волновода;
Nn - эффективный показатель преломления собственной / моды многомодового волновода; NL - эффективный показатель преломления собственной /.-моды многомодового волновода;
Nj - эффективный показатель преломления собственной /моды многомодового волновода;
5 q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5 < q < 2; Л - длина волны излучения, нм;
пР1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
nPz - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ю ограничительного слоя;
пРш - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
пр* - показатель преломления четвёртого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
PCT/RU2016/000054 2015-02-16 2016-02-08 Инжекционный лазер WO2016133426A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015105234 2015-02-16
RU2015105234/28A RU2587097C1 (ru) 2015-02-16 2015-02-16 Инжекционный лазер

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016133426A1 true WO2016133426A1 (ru) 2016-08-25

Family

ID=56115754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000054 WO2016133426A1 (ru) 2015-02-16 2016-02-08 Инжекционный лазер

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2587097C1 (ru)
WO (1) WO2016133426A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691164C1 (ru) * 2018-03-27 2019-06-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Импульсный инжекционный лазер

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6847667B2 (en) * 2001-09-28 2005-01-25 Mitsui Chemicals Inc. Semiconductor laser device and laser module using same
RU2259620C1 (ru) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Инжекционный лазер
US20100150196A1 (en) * 2008-12-15 2010-06-17 Jds Uniphase Corporation Laser Diode
RU2443044C1 (ru) * 2010-11-02 2012-02-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Инжекционный лазер
US20130287057A1 (en) * 2011-01-20 2013-10-31 Erbert Götz High-efficiency diode laser

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6847667B2 (en) * 2001-09-28 2005-01-25 Mitsui Chemicals Inc. Semiconductor laser device and laser module using same
RU2259620C1 (ru) * 2004-07-27 2005-08-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Инжекционный лазер
US20100150196A1 (en) * 2008-12-15 2010-06-17 Jds Uniphase Corporation Laser Diode
RU2443044C1 (ru) * 2010-11-02 2012-02-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Инжекционный лазер
US20130287057A1 (en) * 2011-01-20 2013-10-31 Erbert Götz High-efficiency diode laser

Also Published As

Publication number Publication date
RU2587097C1 (ru) 2016-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Slipchenko et al. Ultralow internal optical loss in separate-confinement quantum-well laser heterostructures
CN106848835B (zh) 一种基于表面光栅的dfb激光器
JP4928927B2 (ja) 面発光半導体レーザ素子
US10971897B2 (en) Semiconductor laser device, semiconductor laser module, and laser light source system for welding
US20160043529A1 (en) Monolithically integrated surface emitting laser with modulator
JPWO2007116659A1 (ja) 面発光レーザ
WO2018168430A1 (ja) 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム
JP2009182145A (ja) 半導体光素子
Zhao et al. 2-W high-efficiency ridge-waveguide lasers with single transverse mode and low vertical divergence
KR20110025817A (ko) 다이오드 레이저, 집적 다이오드 레이저, 및 집적 반도체 광학 증폭기
US9543731B2 (en) Method and device for generating short optical pulses
JP2014150151A (ja) フォトニック結晶デバイス
WO2016133426A1 (ru) Инжекционный лазер
JP7361728B2 (ja) 量子井戸オフセットおよび効率的な単一モードレーザ発光を速軸に沿って有する大光共振器（ｌｏｃ）レーザダイオード
RU2443044C1 (ru) Инжекционный лазер
CN109599743B (zh) 基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器
WO2004075362A2 (en) Apparatus for and method of frequency conversion
RU2259620C1 (ru) Инжекционный лазер
Wang et al. Near-diffraction-limited Bragg reflection waveguide lasers
JP2010021430A (ja) 半導体光素子
Czyszanowski et al. Optimal photonic-crystal parameters assuring single-mode operation of 1300 nm AlInGaAs vertical-cavity surface-emitting laser
RU2444101C1 (ru) Инжекционный лазер
RU2646951C1 (ru) Гетероструктура мощного полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм
LU502263B1 (en) Tapered semiconductor laser modulated with a periodic layer structure
KR20040101270A (ko) 변화하는 굴절율을 가진 증폭 섹션을 가진 레이저 다이오드

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16752723

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16752723

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1