Патент на изобретение №2300835
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
(57) Реферат:
Изобретение относится к оптоэлектронной технике, к мощным и компактным полупроводниковым лазерам. Лазер включает лазерную гетероструктуру. Гетероструктура содержит активный слой, волноводные и ограничительные слои, торцевые грани, продольную ось усиления, оптический резонатор. В гетероструктуре сформирована последовательность из чередующихся области усиления излучения и областей вывода излучения. В области вывода выполнен полупроводниковый слой втекания излучения. В области вывода состав и толщина ограничительного слоя гетероструктуры выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. Каждая из областей вывода с противоположных сторон ограничена выводными гранями. Технический результат – возможность получения больших мощностей лазерного излучения, повышение надежности работы лазера, снижение оптических потерь излучения, увеличение эффективности, снижение на выходных гранях плотности лазерного излучения с контролируемой направленностью и расходимостью, упрощение технологического процесса изготовления лазера. 14 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к эффективным, мощным и компактным полупроводниковым инжекционным лазерам (диодным лазерам) в широком диапазоне длин волн. Предшествующий уровень техники Известны различнные типы инжекционных лазеров: инжекционные лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через торцевое зеркало оптического резонатора [S.S. Ou et al., Electronics Letters (1992), v.28, №25, pp.2345-2346], поверхностно-излучающие инжекционные лазеры с вертикальным резонатором [A. Krigge et al., Electronics Letters, 2001, vol.37, №20, pp.1222-1225], инжекционные лазеры с вытекающим излучением в оптическом резонаторе [Швейкин В.И., Patent US № 6748002 В2, Jun.8, 2004]. Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задачи является описанный в [Швейкин В.И., Патент RU 2109382 С1, Бюл. №11, 20.04.98] инжекционный с поверхностным излучением лазер-прототип, включающий помещенную на подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в котором выполнена полосковая активная область генерации, оптический резонатор, отражатели, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления бокового суперлюминесцентного излучения. Причем в полосковой активной области сформированы по крайней мере две ячейки генерации, составляющие по крайней мере одну линейку генерации лазерного излучения, ячейки ограничены по крайней мере с одной стороны средством вывода излучения, выполненным в виде дополнительно введенных выемки с двумя отражателями и областью, прозрачной для выводимого излучения. Выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатели помещены на наклонных поверхностях выемки, при этом введен угол Основным достоинством инжеционного лазера-прототипа является возможное увеличение выходной мощности излучения, обусловленное многократным увеличением его длины. В то же время имеются технологические сложности в точности и воспроизводимости изготовления средств вывода излучения, выполняемых в виде узких выемок в гетероструктуре, расположенных в непосредственной близости к ативному слою. Это может приводить к большой дифракционной расходимости излучения на ячейках вывода и соответственно увеличивать оптические потери при выводе излучения и уменьшать эффективность, а также создавать трудности в обеспечении необходимого ресурса работы и надежности. Определенные ограничения имеются также в том, что вывод излучения осуществляется только через подложку, которая должна быть прозрачной для лазерного излучения. Раскрытие изобретения В основу изобретения поставлена задача создания нового типа сверхмощного инжекционного лазера (далее Лазер) с поверхностным выводом излучения из активного слоя в виде множества выходных лазерных лучей, функционирующего в известном широком диапазоне излучающих длин волн, основанном на оригинальном, эффективном и неочевидном способе вывода вытекающего излучения. Поставленная задача включает возможность получения сверхбольших мощностей лазерного излучения одновременно с высокой надежности его работы, а также снижение оптических потерь излучения и их независимости от длины Лазера, увеличение эффективности, очень значительное снижение на выходных гранях плотности лазерного излучения (на два-три порядка) с контролируемой направленностью и расходимостью при существенном упрощении технологического процесса изготовления Лазера. В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен инжекционный лазер, включающий лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой, волноводные и ограничительные слои, состоящие по крайней мере из одного подслоя, а также торцевые грани, продольная ось усиления, оптический резонатор, слои металлизации, состоящие по крайней мере из одного подслоя, причем в гетероструктуре вдоль выбранной продольной оси усиления сформирована по крайней мере одна последовательность из чередующихся области усиления излучения, состоящей по крайней мере из одной подобласти, и области вывода излучения, состоящей по крайней мере из одной подобласти, для краткости именуемая далее в совокупности с торцевыми гранями функциональной линейкой. В области вывода дополнительно к слоям гетероструктуры введен, состоящий по крайней мере из одного подслоя полупроводниковый слой втекания излучения, возвышающийся над областью усиления, при этом в области вывода состав и толщина ограничительного слоя гетероструктуры, пограничного со слоем втекания, выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. Вдоль продольной оси усиления каждая из областей вывода с противоположных сторон ограничена выводными гранями, сформированными по отношению к наружной поверхности области усиления под определенными линейными углами наклона, соответственно Существенное отличие предложенных многолучевых инжекционных лазеров с поверхностным выводом излучения состоит в новом, неочевидном и эффективном подходе к решению поставленной задачи. Впервые выход лазерного излучения, распространяющегося в оптическом волноводе вдоль продольной оси усиления реализован через наружную поверхность Лазера с помощью дискретно распределенных внутри лазерной гетероструктуры оригинальных по составу, конструкции и размерам областей вывода излучения. При этом состав, конструкция и размеры областей вывода и их выводных граней таковы, что выход излучения реализуется в виде вытекающего излучения. Предложенные Лазеры характеризуются высокой эффективностью, возрастающей с увеличением его длины, в отличие от современных инжекционных лазеров они характеризуются существенно более низкой (на два-три порядка) плотностью лазерного излучения на его выводных гранях, контролируемой направленностью и расходимостью лазерного излучения, низкими оптическими потерями излучения, сниженной пороговой плотностью тока, а также сниженными омическими и тепловыми сопротивлениями. Это определяет возможность получения высокой надежности работы Лазера при сверхбольших мощностях лазерного излучения, а также существенное упрощение технологического процесса изготовления Лазера. Поставленная техническая задача решается также тем, что в области усиления со стороны вывода излучения состав и толщину ограничительного слоя гетероструктуры выбирают такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. При этом со стороны вывода излучения на наружную поверхность гетероструктуры в области усиления присоединяют подслой металлизации с высоким коэффициентом отражения излучения. Этим достигается увеличение мощности излучения и упрощение технологии изготовления. Поставленная техническая задача решается также тем, что на обе торцевые грани формируют отражатели оптического резонатора с коэффициентами отражения, близкими к единице. Этим достигается снижение пороговой плотности тока. Поставленная техническая задача решается также тем, что дополнительно введен отражатель, примыкающий к одной из торцевых граней с размерами, позволяющими отразить все лазерные лучи, направленные в его сторону. Этим достигается однонаправленность лазерного излучения с малым углом расходимости. Поставленная техническая задача решается также тем, что каждая область усиления разделена на ряд параллельно расположенных продольных полосковых подобластей усиления одинаковой длины, пространство между которыми заполняют веществом с показателем преломления, меньшим по отношению к эффективному показателю преломления гетероструктуры в области усиления. Это дает возможность получения одномодового лазерного излучения высокой мощности. Поставленная техническая задача решается также тем, что в середине, каждой из областей вывода, вдоль всей ее длины сформированы полосковой формы дополнительные области усиления полностью идентичными областям усиления с соответствующими слоями металлизации, ширина которых много меньше ширины областей вывода. Это приводит к снижению порогового тока Лазера и увеличению мощности излучения. Поставленная техническая задача решается также тем, что в области усиления со стороны, противоположной стороне вывода излучения, состав и толщину ограничительного слоя гетероструктуры выбирают такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. При этом после удаления подложки на гетероструктуру со стороны, противоположной стороне вывода излучения, наносят подслой металлизации с высоким коэффициентом отражения излучения. Это дает возможность уменьшить тепловое сопротивление Лазера, улучшить его температурные характеристики и, как следствие этого, увеличить мощность лазерного излучения и ресурс работы. Поставленная техническая задача решается также тем, что к наружной поверхности слоя втекания области вывода присоединены соответствующие слои металлизации. Это увеличивает эффективность и снижает пороговый ток Лазера. Поставленная техническая задача решается также тем, что в функциональной линейке к совокупности областей вывода излучения и к совокупности областей усиления формируют автономные расширенные омические контакты (слои металлизации). Это дает возможность провести оптимизацию размеров областей усиления и областей вывода и увеличить эффективность и мощность излучения Лазера. Поставленная техническая задача решается также предложенными вариантами исполнения области вывода Лазера. Для упрощения технологии изготовления Лазера линейные углы наклонов выводных граней В следующих трех вариантах углы Поставленная техническая задача решается также тем, что Лазер выполнен по крайней мере с двумя функциональными линейками, соединенными по току параллельно. Этим достигается увеличение мощности излучения Лазера примерно в число раз, равное числу параллельно соединенных функциональных линеек. Поставленная техническая задача решается также тем, что Лазер выполнен по крайней мере с двумя функциональными линейками, соединенными по току последовательно. При одном и том же токе этим достигается увеличение мощности излучения Лазера примерно в число раз, равное числу последовательно соединенных функциональных линеек за счет соответствующего увеличения напряжения, приложенного к Лазеру. Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении нового типа Лазера с поверхностным выводом излучения из активного слоя в виде множества лучей, основанном на предложенном оригинальном, эффективном и неочевидном способе вывода излучения, использующим свойства вытекающего излучения. Введенные в активную область, дискретно распределенные вдоль длины Излучателя (практически неограниченной), оригинальные и эффективные области вывода излучения обеспечивают сверхвысокую мощность излучения при высокой надежности их работы, а также снижение оптических потерь излучения и их независимость от длины Лазера, увеличение эффективности, очень значительное снижение плотности излучения (на два-три порядка) на выходных гранях, контролируемую направленность и расходимость лазерного излучения, сниженные омическими и тепловые сопротивления, а также существенное упрощение технологического процесса изготовления Лазера. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 схематически изображено продольное сечение предлагаемого многолучевого Лазера с последовательностью чередующихся областей усиления и областей вывода излучения, выводные грани которых перпендикулярны к наружной поверхности области усиления. На Фиг.2 схематически изображен вид сверху предложенного Лазера, продольное сечение которого схематически изображено на Фиг.1. На Фиг.3 схематически изображено поперечное сечение в области усиления Лазера, продольное сечение которого схематически изображено на Фиг.1. На Фиг.4 схематически изображен вид сверху предложенного Лазера, две области усиления в котором разделены на три параллельно расположенных подобластей усиления. На Фиг.5 схематически со стороны вывода излучения изображен вид сверху предложенного Лазера, в котором введены дополнительные три узкие области усиления, соединяющие области усиления вдоль всей его длины. На Фиг.6 схематически изображено продольное сечение предлагаемого Лазера, в котором к областям вывода присоединены слои металлизации, и со стороны, противоположной стороне вывода излучения, непосредственно к слоям гетероструктуры также присоединены слои металлизации и теплоотводящая пластина. На Фиг.7 схематически изображен вид сверху предложенного Лазера, продольное сечение которого схематически изображено на Фиг.6. На Фиг.8 схематически изображено поперечное сечение в области усиления Лазера с двухуровневыми слоями, металлизации для области усиления и области вывода, продольное сечение которого схематически изображено на Фиг.6. На Фиг.9-11 схематически изображены (без слоев металлизации) продольные сечения предлагаемых Лазеров, выводные грани которых наклонены и образуют с наружной поверхностью областей усиления линейные углы наклона на Фиг.9 – равные ( на Фиг.10 – равные ( на Фиг.11 – равные (3 Варианты осуществления изобретения В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций Лазера не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, в том числе в известных диапазонах длин волн, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения. Предложенный Лазер 1 (см. Фиг.1-3) содержит на подложке 2 из n-типа GaAs лазерную гетероструктуру на основе соединений InAIGaAs с активным InGaAs слоем 3, волноводными слоями 4, 5 и ограничительными слоями 6, 7 из AIGaAs, соответственно со стороны вывода излучения и противоположной ей стороны. Длина волны лазерного излучения выбрана равной 0,98 мкм. Функциональная линейка Лазера 1 выполнена полосковой и состоит из чередующихся вдоль продольной оптической оси областей усиления 8 и областей вывода 9, ширины которых, ограниченные боковыми ограничительными областями 10 из ZnSe, выполнены одинаковыми и равными 100 мкм. На торцевые грани 11 сформированы пленочные отражатели 12 оптического резонатора Фабри-Перо с коэффициентами отражения 99%. Со стороны вывода излучения толщина и состав ограничительного слоя 6 в области усиления 8 выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. На наружную поверхность областей усиления 8 присоединен подслой металлизации 13 из серебра с коэффициентом отражения излучения, равным 98%. Область вывода 9 содержит дополнительный полупроводниковый слой втекания 14 из GaAs, отличительной особенностью которого является то, что его показатель преломления nвт превышает эффективный показатель преломления nэф лазерной гетероструктуры с включенным в нее слоем втекания 14. Соединение по току всех областей усиления 8 осуществлено расширением слоев металлизации 13 не только к наружной поверхности областей усиления 8, но и к боковым ограничительным областям 10 (расширенный контакт областей усиления 8). Соответствующие омические слои металлизации 15 нанесены также на подложку 2. Выводные грани 16, ограничивающие вдоль продольной оси усиления область вывода 9, перпендикулярны к наружной поверхности области усиления 9, при этом углы Следующая модификация Лазера 1 отличалась от предыдущей тем, что со стороны одной торцевой грани 11 присоединен введенный отражатель (не показан) с размерами, позволяющими отразить все лазерные лучи, направленные в его сторону. При этом суммарное лазерное излучение с низкой расходимостью формируется однонаправленным в сторону противоположного торца под углом Следующая модификация Лазера 1 (см. Фиг.4) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.1-3 тем, что каждая область усиления 8 состояла из десяти параллельно расположенных полосковых подобластей усиления 17 шириной по 10 мкм и размещенных между ними боковых ограничительных областей 10 шириной по 5 мкм, заполненных на соответствующую оптимальную глубину распыленным диэлектриком ZnSe. Поверх полосковых подобластей 17 и боковых ограничительных областей 10 нанесены слои металлизации 13. Следующая модификация (см. Фиг.5) отличалась от модификации Лазера 1, изображенного на Фиг.1-3, тем, что в середине каждой из областей вывода 9, вдоль всей ее длины сформированы полосковой формы дополнительные области усиления 18 с соответствующими подслоями металлизации 13, соединяющие по току области усиления 8 вдоль всей 20010 мкм длины Лазера 1. При этом ширина введенных дополнительных областей генерации равна 4 мкм. Предложенный Лазер 1 (см. Фиг.6-8) отличался от модификации Лазера 1, изображенного на Фиг.1-3, тем, что со стороны, противоположной стороне вывода излучения удалена подложка 2 и толщина и состав ограничительного слоя 7 выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. При этом на наружную поверхность ограничительного слоя 7 присоединен соответствующий слой металлизации 19, включающий подслой серебра с коэффициентом отражения излучения, равным 98%. Этой же стороной Лазер 1 присоединяется к проводящей пластине 20 из CuW, вместе с которой устанавливается на медное теплоотводящее основание (не показанное). Кроме того, к слою втекания 14 областей вывода 9 присоединены соответствующие слои металлизации 21. Соединение по току всех областей вывода 9 осуществлено расширением слоев металлизации 21 (по уровню слоев втекания 14) на одну из боковых сторон Лазера 1 (расширенный автономный контакт областей вывода 9). Предложенный Лазер 1 (см. Фиг.9) отличался от модификации Лазера 1, изображенного на Фиг.1-3, тем, что выводные грани 16, ограничивающие области вывода 9 вдоль продольной оси усиления, выполнены наклонными к наружной поверхности области усиления 8, при этом углы Следующая модификация отличается от предыдущей тем, что на выводные грани 16, выходное излучение из которых направлено в одном выбранном (из двух) направлении, нанесены оптические покрытия (не показано) с коэффициентом отражения 99%. Следующая модификация Лазера 1 (см. Фиг.10) отличалась от модификации Лазера 1, изображенного на Фиг.9, тем, что выводные грани 16 выполнены наклонными, при этом углы Следующая модификация Лазера 1 (см. Фиг.11) отличалась от предыдущей тем, что выводные грани 16, выполнены наклонными, при этом углы Промышленная применимость Инжекционные лазеры применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также в качестве высокоэффективных мощных твердотельных источников излучения широкого применения в известном диапазоне длин волн, в том числе излучателей белого света для освещения.
Формула изобретения
1. Инжекционный лазер, включающий лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой, волноводные и ограничительные слои, состоящие, по крайней мере, из одного подслоя, а также торцевые грани, продольную ось усиления, оптический резонатор, слои металлизации, состоящие, по крайней мере, из одного подслоя, отличающийся тем, что в гетероструктуре вдоль выбранной продольной оси усиления сформирована, по крайней мере, одна последовательность из чередующихся области усиления излучения, состоящей, по крайней мере, из одной подобласти, и области вывода излучения, состоящей, по крайней мере, из одной подобласти, для краткости именуемая далее в совокупности с торцевыми гранями функциональной линейкой, в области вывода дополнительно к слоям гетероструктуры выполнен состоящий, по крайней мере, из одного подслоя полупроводниковый слой втекания излучения, возвышающийся над областью усиления, при этом в области вывода состав и толщина ограничительного слоя гетероструктуры, пограничного со слоем втекания, выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре, вдоль продольной оси усиления каждая из областей вывода с противоположных сторон ограничена выводными гранями, сформированными по отношению к наружной поверхности области усиления под определенными линейными углами наклона, соответственно 2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что на обе торцевые грани сформированы отражатели оптического резонатора с коэффициентами отражения, близкими к единице. 3. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в областях усиления со стороны вывода излучения состав и толщина ограничительного слоя гетероструктуры выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. 4. Инжекционный лазер по п.3, отличающийся тем, что к наружной поверхности гетероструктуры присоединен подслой металлизации с высоким коэффициентом отражения излучения. 5. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в областях вывода к наружной поверхности слоя втекания нанесены соответствующие слои металлизации. 6. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся дополнительно введенным отражателем, примыкающим к одной из торцевых граней с размерами, позволяющими отразить практически все излучение, направленное в его сторону. 7. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в областях усиления со стороны, противоположной стороне вывода излучения, состав и толщина ограничительного слоя гетероструктуры выбраны такими, при которых реализовано частичное ограничение излучения в гетероструктуре. 8. Инжекционный лазер по п.7, отличающийся тем, что к поверхности гетероструктуры присоединен подслой металлизации с высоким коэффициентом отражения излучения. 9. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что в середине каждой из областей вывода введены полосковой формы дополнительные области усиления с соответствующими слоями металлизации, соединяющие по току области усиления вдоль всей длины функциональной линейки, при этом ширина введенных дополнительных областей усиления много меньше ширины областей вывода. 10. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что области усиления разделены вдоль продольной оси усиления на ряд параллельно расположенных полосковых подобластей усиления, пространство между которыми заполнено веществом с показателем преломления, меньшим эффективного показателя преломления гетероструктуры в подобластях усиления. 11. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что линейные углы 12. Инжекционный лазер по п.12, отличающийся тем, что в областях вывода толщина слоя втекания выполнена большей, чем длина области вывода, умноженная на тангенс угла 13. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что линейные углы 14. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что линейные углы 15. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что линейные углы
РИСУНКИ
PC4A – Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:
(73) Патентообладатель:
Договор № РД0052378 зарегистрирован 09.07.2009
Извещение опубликовано: 20.08.2009 БИ: 23/2009
|
||||||||||||||||||||||||||
, образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области генерации, выбираемой в диапазоне (
/2)-arcsin(1/n)<
, образованный нормалью, мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью указанного отражателя выемки с нормалью к поверхности указанного отражателя выемки, выбираемый в диапазоне (1/2)arcsin(1/n)<
1 и 
, где угол 
н равна 85%. Коэффициент полезного действия (КПД от розетки) равен 80%.
