Библиографическое описание:

Гвердцители В. И. Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор // Молодой ученый. — 2009. — №11. — С. 9-10.

Одна из простейших конструкций гетероструктуры для диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор (ДЛ-ВИОР) c длинами волн в диапа­зоне примерно 900 - 1100 нм схематически изображена  на Рис. 1.

 

Рис 1. Схема простейшей гетероструктуры для ДЛ-ВИОР:

(1) - активный InGaAs слой, (2, 3) - барьерные GaAs слои, (4) – слой втекания,    

 (5) – отражательный n-слой, (6) – ограничительный p-слой,  (7) – контактный p+-слой, (8) – n-GaAs подложка.

 

Активная область этой гетероструктуры состоит из одного активного квантоворазмерного слоя 1 из InGaAs и двух барьерных слоёв 2 и 3 из GaAs. Со стороны p-типа над барьерным слоем 2 расположен ограничительный слой 6 из    AlxGa1-xAs, к которому примыкает сильнолегированный контактный слой 7 р+ ‑ типа GaAs. Со стороны n ‑ типа барьерный слой 3 граничит со слоем втекания 4 AlyGa1-yAs, имеющим, как правило, наибольшую толщину (примерно 3 - 10 мкм и более). Далее на подложке 8 n ‑ типа GaAs размещён отражательный (для вытекающего излучения) слой 5 из AlxGa1-xAs. Для состава слоя втекания выполняется условие у < х.

Спецификация слоёв структур 940  серии приведена в таб. 1.

 

Спецификация для ГС 940

 

Номер слоя

Состав слоев

Толщины

слоев

(мкм)

 

Концентрация легирования

(см-3)

Тип

Легиро-вания

 

Примесь

12

GaAs

 0.10

>3E+19

P

C

11

Al 0.15 Ga 0.85 As

0.20

4E+18

P

C

10

Al 0.15 Ga 0.85 As

0.30

1E+18

P

C

9

  Al 0.40Ga 0.60 As

0.19

1E+18

P

C

8

GaAs

0.01

нелегирован

   ______

   ______

7

Акт. слой

In 0.20 Alx Ga1-xAs

0,008

нелегирован

   ______

   ______

6

 

GaAs

0.01

нелегирован

   ______

________

5

Al 0.10 Ga 0.90 As

0.19

5E+16

N

Si

4

Al 0.10 Ga 0.90 As

0.20

<5E+16

N

Si

3

Al 0.15 Ga 0.85 As

5.0

<5E+16

N

Si

2

Al 0.30 Ga 0,70 As

 0.40

1E+18

N

Si

1

GaAs (buffer)

0.50

1...2E+18

N

Si

Подложка

GaAs: Si

450

1..2E+18

N

Si

 

Таб. 1. Спецификация ГС 940.

 

ДЛ-ВИОР с наноразмерным активным слоем в виде квантовой ямы имеет ряд преимуществ[1 - 2].

Первое преимущество состоит в том, что инжекция неравновесных носителей (электронов и дырок) реализуется в квантовую яму активной области с очень малой (нанометровой) толщиной, равной 0,008 мкм. Так как объём квантовой ямы очень мал и следовательно, поток инжектированных носителей велик, то инверсия в активном слое достигается при малой плотности тока накачки и, следовательно, пороговая плотность тока для возникновения лазерной генерации должна быть также малой. Инверсия носителей означает то, что при протекании тока достигается пограничное состояние перехода от межзонного поглощения к усилению, при котором возникает равенство между концентрацией инжекционных электронов и концентрацией инжектированных дырок. Дополнительно, снижение пороговой плотности тока и ослабление её температурной зависимости определяется расщеплением квантовых энергетических уровней (в основном в электронной зоне проводимости), при котором инверсия носителей достигается при сниженной концентрации электронов и дырок.

Второе преимущество определяется тем, что при достаточно большом расщеплении энергетических квантовых уровней в активном слое (желательно более 100 мэВ) в одномодовом ДЛ-ВИОР можно реализовать одночастотный режим генерации лазерного излучения. Это важный момент. Он позволит не только создать одномодовый одночастотный ДЛ-ВИОР с повышенной мощностью излучения, но и обеспечить создание новых не имеющих аналогов устройств с высочайшим качеством излучения: интегральный лазер-усилитель, многолучевой лазер-усилитель и многолучевой лазер - усилитель с вертикальным выводом излучения.

Третье преимущество состоит в том, что в ДЛ-ВИОР с квантовой ямой можно существенно снизить внутреннее поглощение лазерного излучения за счёт низкого легирования волноводных областей n - типа и р - типа (включая n-типа слой втекания), поскольку носители тока надёжно закрыты в квантовой яме. Это определяет высокую наклонную эффективность лазерного излучения (вплоть до 90%), в том числе в высокомощных ДЛ-ВИОР с повышенной длиной оптического резонатора вплоть до 4 мм и более. Высокое качество исходных материалов, используемых при выращивании эпитаксиальной лазерной гетероструктуры, позволяет при этом достичь величину наклонной эффективности близкую к 100%.

Четвёртое преимущество состоит в том, что нанометровая толщина активного слоя даёт возможность использовать полупроводниковые соединения, постоянная кристаллической решётки которых не полностью согласована с постоянной кристаллической решётки подложки GaAs. Это даёт возможность, меняя состав полупроводникового соединения в активной области, создавать ДЛ-ВИОР в широком диапазоне длин волн, примерно от 610 нм до 1200 нм. Так, например, при длине волны 980 нм, активный слой выращивается в виде тройного кристаллического полупроводникового соединения , в котором содержание атомов индия х = 20%, галлия – 80%, а мышьяка - 100%, т.е. 20% галлия заменено индием. Указанные замещения атомов вводят упругие напряжения в лазерную гетероструктуру, которые могут приводить к расширению расщеплённых квантовых уровней, что уменьшит пороговую плотность тока. Напряжения в гетероструктурах нельзя допускать, так как они приводят к возникновению дислокаций.

При изготовлении ДЛ-ВИОР, интегрального лазер-усилителя, многолучевого лазер-усилителя и многолучевого лазер-усилителя с вертикальным выводом излучения возникает необходимость нанесения на оптические грани отражающих и антиотражающих (просветляющих) покрытий, представляющих собой слоистую структуру из диэлектрических материалов [3]. Толщина указанных покрытий также наноразмерная и должна зависеть от длины волны лазерного излучения и колеблется в интервале от 40 до 90 нм.

Таким образом, в настоящей работе представлены преимущества новых типов широко апертурных, высокоэффективных и высо­ко мощных полупроводниковых лазеров с вовлечённым в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области.

 

Литература

 

    1. Швейкин В.И. Патент РФ на изобретение «Инжекционный ла­зер» №2142665 (10.08.1998).

    2. Швейкин В.И. Международная заявка «Инжекционный лазер»,    PCT/RU99/00275 (публикация № WO00/10235 от 24.02.2002 г.) и дополнение от 5.06.2000г.

    3.В.И. Швейкин, В.А., Геловани. Новые диодные лазеры с вытекающим излучением в оптическом резонаторе. Квантовая электроника, 32, № 8, 2002, стр.683-688.

 

 

 

 

 

 

 

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle