PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 19/11. ROBERT P. SARZAŁA, Łódź, PL WŁODZIMIERZ NAKWASKI, Kalonka, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. H01S 5/00 ( ) H01S 5/18 ( ) H01S 5/183 ( ) H01S 5/34 ( ) (54) Laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 19/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/15 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ROBERT P. SARZAŁA, Łódź, PL WŁODZIMIERZ NAKWASKI, Kalonka, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Ewa Kaczur-Kaczyńska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, emitujący promieniowanie o długości fali 1300 nm przeznaczone zwłaszcza dla światłowodowej telekomunikacji optycznej II generacji. Światłowodowa telekomunikacja optyczna wymaga stosowania źródeł i odbiorników promieniowania o długościach fal dostosowanych do używanych światłowodów telekomunikacyjnych. Ich tłumienność wykazuje wyraźne minima w pobliżu długości fali 850 nm, 1300 nm i 1550 nm, którym odpowiadają kolejne generacje światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. Obecnie powszechnie stosuje się systemy I generacji, wykorzystujące promieniowanie 850 nm emitowane przez standardowe lasery arsenkowe. Jednakże znacznie lepszych właściwości użytkowych, tj. przede wszystkim znacznie wyższych pojemności łączy telekomunikacyjnych umożliwiających jednocześnie znacznie szybsze ich działanie, oczekuje się od światłowodowych systemów telekomunikacyjnych II generacji, wykorzystujących promieniowanie długości 1300 nm. Z obecnie znanych półprzewodnikowych źródeł takiego promieniowania najlepszym rozwiązaniem wydają się być lasery arsenkowe z obszarami czynnymi w postaci studni kwantowych GaInNAs/GaAs. Znane są lasery półprzewodnikowe o emisji powierzchniowej z pionową wnęką optyczną, czyli lasery typu VCSEL, wyposażone w dwa zwierciadła Bragga (DBR), między którymi jest umieszczona półprzewodnikowa struktura heterozłączowa zawierająca obszar czynny w postaci wielokrotnej studni kwantowej GaInNAs/GaAs (typu MQW). Obszar czynny jest umieszczony w centralnej części heterostruktury i przylega z jednej strony do warstwy ograniczającej typu n, zaś z drugiej strony do warstwy ograniczającej typu p. Zwierciadła typu DBR składają się z naprzemiennie ułożonych warstw o grubościach równych jednej czwartej długości fali promieniowania oraz o różnych współczynnikach załamania. Nadto laser jest wyposażony w dwa pierścieniowe kontakty, jeden umieszczony na górnej powierzchni górnego zwierciadła DBR, o osi symetrii pokrywającej się z osią symetrii lasera i dolny kontakt, pokrywający całą podstawę kryształu lasera, stykający się z jednej strony z warstwą podłoża, na której został zbudowany laser, a z drugiej z miedzianą podstawą lasera. Dobierając odpowiednio skład warstwy centralnej GaInNAs studni kwantowej (dostrojony VC- SEL) można uzyskać w niej generację promieniowania o pożądanej długości fali 1300 nm. Niestety wymaga to wysokich zawartości In i N w związku GaInNAs studni kwantowej, co prowadzi do niekontrolowanego wzrostu niejednorodności strukturalnych, stanowiących centra rekombinacji niepromienistej i reabsorpcji promieniowania. Powoduje to znaczny wzrost prądu progowego lasera oraz drastyczne skrócenie jego bezawaryjnej pracy. Innym rozwiązaniem jest celowe odstrojenie w temperaturze pokojowej modu rezonatora w stronę długofalową (odstrojony VCSEL). Realizowane jest ono poprzez jednoczesne zmniejszenie zawartości In i N w studni kwantowej GaInNAs/GaAs w stosunku do wcześniej wspomnianych zawartości odpowiadających emisji promieniowania o długości fali 1300 nm oraz wymuszenie pracy lasera na odpowiednio długiej fali przez dobranie odpowiednich grubości optycznych warstw zwierciadeł DBR i długości rezonatora. Jednakże wówczas prąd progowy w temperaturze pokojowej będzie stosunkowo wysoki, a jego znaczący spadek nastąpi dopiero w wyższych temperaturach otoczenia. Laser tego typu ma korzystne własności eksploatacyjne podczas pracy w wysokich temperaturach. Niestety w niskich temperaturach emituje on promieniowanie zawierające mody poprzeczne wyższych rzędów. Wzrost długości fali promieniowania emitowanego przez laser można także uzyskać stosując studnie kwantowe o niższych zawartościach In i N, gwarantujących wysoką jakość strukturalną jej materiału, o ile odpowiednio zwiększy się szerokość studni, co obniża jej poziomy energetyczne. Jednakże wówczas pojawia się problem naprężeń mechanicznych generowanych w takich obszarach czynnych w wyniku odmiennych stałych sieci obu części heterozłącza. W przypadku przekroczenia tzw. wartości krytycznej szerokości studni kwantowej, naprężenia tego typu prowadzą do generacji dyslokacji niedopasowania dramatycznie ograniczających bezawaryjny czas pracy laserów. Powyższa generacja dyslokacji może być całkowicie wyeliminowana w wyniku zastosowania studni kwantowych, których część centralna ma szerokość mniejszą od ww. wartości krytycznej, natomiast poziom w studni zostałby odpowiednio obniżony w wyniku zastosowania po obu jej stronach warstw o pośredniej szerokości przerwy energetycznej. Jednakże, jak się okazuje, lasery z tak zmodyfikowanymi studniami kwantowymi wykazują w wyższych temperaturach niekorzystny, szybki wzrost ich prądu progowego.

3 PL B1 3 Nadto nowoczesne lasery typu VCSEL o strukturze mikrorezonatorowej są wyposażone w aperturę tlenkową, usytuowaną w jednej z warstw górnego zwierciadła DBR, którą stanowi warstwa tlenku o kształcie pierścienia kołowego, wytworzona w drodze radialnej oksydacji cienkiej warstwy łatwo utleniającego się materiału półprzewodnika (np. AlAs), w pobliżu jej krawędzi. Skład chemiczny tej apertury jest trudny do wyznaczenia, najprawdopodobniej jest mieszaniną tlenków glinu. Zadaniem apertury tlenkowej jest skanalizowanie przepływu prądu do centralnej części struktury lasera oraz radialne ograniczenie pola optycznego do tego samego obszaru. Skuteczne ograniczenie pola optycznego wymaga odpowiedniego usytuowania apertury tlenkowej. W celu zwiększenia mocy wyjściowej wiązki promieniowania zwiększa się zwykle średnicę obszaru czynnego. Niestety niekorzystną tego konsekwencją jest znacznie bardziej niejednorodny radialny rozkład gęstości prądu wstrzykiwanego do obszaru czynnego, szczególnie w wyższych temperaturach otoczenia, a co za tym idzie bardziej niejednorodny radialny rozkład wzmocnienia optycznego w obszarze czynnym. Prowadzi to do obniżenia wzajemnego przekrycia radialnych rozkładów wzmocnienia optycznego oraz natężenia promieniowania pożądanego modu podstawowego LP 01. W rezultacie mody poprzeczne wyższych rzędów mogą cechować się w takich strukturach niższymi progami akcji laserowej niż mod podstawowy, czego konsekwencją jest niepożądana wielomodowa praca tych przyrządów, szczególnie w wyższych temperaturach otoczenia. Ze zgłoszenia patentowego P jest znana inna struktura lasera półprzewodnikowego o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, w którym stabilne wzbudzanie się modu podstawowego LP 01 uzyskuje się poprzez osobną optymalizację radialnych ograniczeń rozpływu prądu i pola promieniowania. W obu warstwach ograniczających tego lasera, górnej typu p i dolnej typu n, w pobliżu ich krawędzi, są wykonane pierścieniowe apertury tlenkowe, z których apertura wykonana w górnej warstwie jest usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania, zaś apertura wykonana w dolnej warstwie w węźle tej fali, przy czym średnica apertury wykonanej w górnej warstwie jest większa od średnicy apertury wykonanej w dolnej warstwie i równa średnicy obszaru czynnego. Umożliwia to osobną optymalizację wstrzykiwania nośników do obszaru czynnego lasera i rozkładu jego pola promieniowania, dzięki czemu uzyskuje się stabilną pracę jednomodową w temperaturze pokojowej. Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie konstrukcji lasera VCSEL generującego promieniowanie o pożądanej długości fali 1300 nm, cechującego się jednocześnie potencjalnie niskim prądem progowym w temperaturze pokojowej, jego niewielkimi zmianami podczas wzrostu temperatury otoczenia oraz wydajną, stabilną i długotrwałą pracą na pojedynczym modzie podstawowym LP 01 w całym rozpatrywanym zakresie temperatur. Laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, emitujący promieniowanie o długości fali 1300 nm przeznaczone zwłaszcza dla światłowodowej telekomunikacji optycznej II generacji, o kształcie cylindrycznym, wyposażony w dwa, usytuowane jeden nad drugim, zwierciadła Bragga, między którymi jest umieszczona heterostruktura półprzewodnikowa o kształcie walca, z obszarem czynnym z dwiema studniami kwantowymi GaInNAs/GaAs, usytuowanym w strzałce fali stojącej promieniowania, między górną warstwą ograniczającą typu p i dolną warstwą ograniczającą typu n, wyposażony nadto w dwa metalowe kontakty, z których górny pierścieniowy kontakt, współosiowy z laserem, przylega do górnej powierzchni górnego zwierciadła Bragga, zaś dolny, pokrywający w całości dolną podstawę heterostruktury, przylega do miedzianej podstawy lasera, w którego górnym zwierciadle, od strony górnej warstwy ograniczającej p, jest wykonana pierścieniowa apertura tlenkowa usytuowana w pobliżu krawędzi tego zwierciadła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że nad i pod studniami kwantowymi są umieszczone dodatkowo warstwy GaInNAs o przerwie energetycznej pośredniej między przerwą energetyczną centralnej warstwy GaInNAs studni i przerwą energetyczną warstwy GaAs bariery, zaś apertura tlenkowa górnego zwierciadła Bragga jest usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania lasera. Między górnym pierścieniowym kontaktem i obszarem czynnym hetorostruktury znajduje się pierścieniowy obszar wysokorezystywny, wytworzony w wyniku implantowania protonami. Nadto mod promieniowania lasera jest odstrojony w temperaturze pokojowej w stronę długofalową w stosunku do maksimum spektrum wzmocnienia obszaru czynnego. Umieszczenie apertury tlenkowej zwierciadła w pozycji strzałki optycznej fali stojącej powoduje radialne ograniczenie promieniowania, natomiast wysokorezystywny obszar pierścieniowy wokół obszaru czynnego lasera umożliwia radialne ograniczenie rozlewu prądu między pierścieniowym kontaktem górnym i obszarem czynnym. Umożliwia to osobne radialne optymalizacje wstrzykiwania nośni-

4 4 PL B1 ków do obszaru czynnego oraz rozkładu pola promieniowania w tymże obszarze. Prowadzi to do bardziej jednorodnego rozkładu wzmocnienia optycznego w obszarze czynnym, co faworyzuje wzbudzanie się centralnie usytuowanego modu podstawowego LP 01 w stosunku do modów wyższych rzędów, których amplitudy znajdują się bliżej krawędzi tego obszaru. Odstrojenie modu promieniowania lasera w stronę długofalową w stosunku do spektrum wzmocnienia obszaru czynnego poprawia własności lasera w wyższych temperaturach. Natomiast umieszczenie studni kwantowych między warstwami o pośredniej wartości przerwy energetycznej łącznie z odstrojeniem modu promieniowania lasera zapewnia uzyskanie stosunkowo niezmiennego prądu progowego w szerokim zakresie zmian temperatury. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia laser w przekroju wzdłużnym, zaś fig. 2 przedstawia wykres zależności prądów progowych I th od temperatury otoczenia T amb dla lasera według wynalazku, lasera o konstrukcji dotychczasowej dostrojonego w temperaturze pokojowej do maksimum wzmocnienia obszaru czynnego oraz lasera o konstrukcji dotychczasowej odstrojonego w temperaturze pokojowej w stronę długofalową. Laser arsenkowy VCSEL zawiera heterostrukturę półprzewodnikową o kształcie walca, umieszczoną między dwoma, usytuowanymi jedno nad drugim, zwierciadłami Bragga, górnym 2 i dolnym 8. Oba zwierciadła, górne 2 i dolne 8, są wykonane z osadzonych przemiennie warstw GaAs i Al 0.9 Ga 0.1 As, każdej o grubości równej ¼ długości fali promieniowania. Heterostruktura zawiera obszar czynny 6, usytuowany w strzałce fali stojącej promieniowania, w postaci podwójnej studni kwantowej Ga 0,65 In 0,35 N 0,0065 As 0,9935 przedzielonej barierą GaAs, ograniczony od góry i od dołu warstwami ograniczającymi Al x Ga 1-x As: górną 5 typu p, i dolną 7 typu n, o molowej zawartości AlAs liniowo malejącej przy zbliżaniu się do obszaru czynnego od 0,6 do 0, przy czym nad i pod studniami kwantowymi są umieszczone dodatkowo cienkie warstwy Ga 0,73 In 0,27 N 0,0065 As 0,9935 o przerwie energetycznej pośredniej między przerwą energetyczną centralnej warstwy Ga 0,65 In 0,35 N 0,0065 As 0,9935 studni i przerwą energetyczną warstwy GaAs bariery. Laser zawiera nadto dwa metalowe kontakty górny pierścieniowy 1, współosiowy z laserem, przylegający do górnej powierzchni górnego zwierciadła Bragga 2 i dolny 9 pokrywający w całości dolną podstawę heterostruktury i stykający się z miedzianą podstawą 10 lasera. Na górnym zwierciadle 2, od strony górnej warstwy ograniczającej 5 typu p, jest wykonana pierścieniowa apertura tlenkowa 4 z Al x O y, usytuowana w pobliżu krawędzi tego zwierciadła, w strzałce fali stojącej promieniowania. W górnej części hetero struktury utworzono, poprzez implantację protonami, pierścieniowy obszar wysokorezystywny 3 do kanalizowania przepływu prądu z górnego pierścieniowego kontaktu 1 do obszaru czynnego 6. Mod promieniowania lasera odstrojono w temperaturze pokojowej w stronę długofalową w stosunku do maksimum spektrum wzmocnienia obszaru czynnego 6. Parametry konstrukcyjne tego lasera przedstawiono w tablicy.

5 PL B1 5 W celu dokonania oceny parametrów pracy lasera przeprowadzono symulację jego pracy dla dużego obszaru czynnego o średnicy 20 m, w reżimie CW (praca z falą ciągłą). Dla celów porównawczych przeprowadzono również symulacje pracy laserów VCSEL z obszarem czynnym o takiej samej średnicy: lasera o dotychczasowej konstrukcji i modzie rezonatora dostrojonym w temperaturze pokojowej do maksimum wzmocnienia obszaru czynnego (lasera dostrojonego) oraz lasera o dotychczasowej konstrukcji, odstrojonego w temperaturze pokojowej w stronę długofalową (lasera odstrojonego). Następnie sporządzono wykresy zależności od temperatury otoczenia T amb prądów progowych I th laserów (fig. 2). Jak oczekiwano, laser o strukturze według wynalazku emitował promieniowanie o długości fali 1300 nm i cechował się stabilną pracą na pojedynczym modzie podstawowym LP 01 w całym rozpatrywanym zakresie temperatur od 300 K do 350 K, a jego prąd progowy zmieniał się w tym zakresie jedynie w granicach 3,5 ± 0,5 ma. Lasery o dotychczasowych konstrukcjach wykazywały znacznie gorsze parametry pracy. Laser odstrojony miał stosunkowo niski prąd progowy w wysokich temperaturach, jednakże znacznie wyższy w temperaturze pokojowej, a ponadto najniższym prądem progowym cechował się niepożądany poprzeczny mod LP 71 promieniowania. Z kolei laser dostrojony, choć pozornie jego parametry pracy były całkiem dobre (teoretycznie niski prąd progowy w temperaturze pokojowej i niezbyt szybki jego wzrost w wyższych temperaturach), jednakże w praktyce jego prąd progowy byłby znacznie wyższy w wyniku nieuniknionych niejednorodności strukturalnych jego obszaru czynnego, prowadzących do nie uwzględnionych w obliczeniach zwiększonej rekombinacji niepromienistej i bardziej intensywnej re absorpcji promieniowania, a ponadto czas jego niezawodnej pracy byłby bardzo krótki.

6 6 PL B1 Zastrzeżenie patentowe Laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, emitujący promieniowanie o długości fali 1300 nm przeznaczone zwłaszcza dla światłowodowej telekomunikacji optycznej II generacji, o kształcie cylindrycznym, wyposażony w dwa, usytuowane jeden nad drugim, zwierciadła Bragga, między którymi jest umieszczona heterostruktura półprzewodnikowa o kształcie walca, z obszarem czynnym z dwiema studniami kwantowymi GaInNAs/GaAs, usytuowanym w strzałce fali stojącej promieniowania, między górną warstwą ograniczającą typu p i dolną warstwą ograniczającą typu n, wyposażony nadto w dwa metalowe kontakty, z których górny pierścieniowy kontakt, współosiowy z laserem, przylega do górnej powierzchni górnego zwierciadła Bragga, zaś dolny, pokrywający w całości dolną podstawę heterostruktury, przylega do miedzianej podstawy lasera, w którego górnym zwierciadle, od strony górnej warstwy ograniczającej p, jest wykonana pierścieniowa apertura tlenkowa usytuowana w pobliżu krawędzi tego zwierciadła, znamienny tym, że nad i pod studniami kwantowymi są umieszczone dodatkowo warstwy GaInNAs o przerwie energetycznej pośredniej między przerwą energetyczną centralnej warstwy GaInNAs o przerwie energetycznej pośredniej między przerwą energetyczną centralnej warstwy GaInNAs studni i przerwą energetyczną warstwy GaAs bariery, apertura tlenkowa (4) górnego zwierciadła Bragga (2) jest usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania lasera, nadto między górnym pierścieniowym kontaktem (1)i obszarem czynnym (6) heterostruktury znajduje się pierścieniowy obszar wysokorezystywny (3), wytworzony w wyniku implantowania protonami, zaś mod promieniowania lasera jest odstrojony w temperaturze pokojowej w stronę długofalową w stosunku do maksimum spektrum wzmocnienia obszaru czynnego (6).

7 PL B1 7 Rysunki

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)