RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210400 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 370876 (51) Int.Cl. H01S 5/00 (2006.01) H01S 5/183 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 25.10.2004 (54) Laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 02.05.2006 BUP 09/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2012 WUP 01/12 (72) Twórca(y) wynalazku: ROBERT P. SARZAŁA, Łódź, PL WŁODZIMIERZ NAKWASKI, Łódź, PL MICHAŁ WASIAK, Łódź, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Zbigniew Wojciech Bałczewski rzecz. pat. Ewa Kaczur-Kaczyńska PL 210400 B1
2 PL 210 400 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną. Typowe lasery półprzewodnikowe o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, czyli lasery typu VCSEL, o kształcie cylindrycznym, są wyposażone w dwa zwierciadła Bragga, wykonane często z materiałów stanowiących izolatory elektryczne, między którymi jest umieszczona półprzewodnikowa struktura heterozłączowa. Heterostruktura tych laserów zawiera obszar czynny, korzystnie typu MQW (wielokrotna studnia kwantowa), umieszczony w jej centralnej części, przylegający z jednej strony do warstwy ograniczającej typu n, zaś z drugiej strony do warstwy ograniczającej typu p. Lasery te zawierają nadto dwa współosiowe kontakty pierścieniowe: górny, umieszczony na górnej powierzchni górnej warstwy ograniczającej, i dolny, stykający się z dolną warstwą ograniczającą, których oś symetrii pokrywa się z osią symetrii lasera. Nowoczesne lasery typu VCSEL o strukturze mikrorezonatorowej zawierają nadto dwie apertury tlenkowe, usytuowane po obu stronach ich obszarów czynnych, jedną w warstwie ograniczającej typu p, zaś drugą w warstwie ograniczającej typu n. Aperturę tlenkową stanowi warstwa tlenku o kształcie pierścienia kołowego, wytworzona w drodze radialnej oksydacji cienkiej warstwy łatwo utleniającego się materiału półprzewodnika (na przykład AlAs), w pobliżu jej krawędzi. Znacznie wyższa elektryczna rezystywność apertury tlenkowej w porównaniu z rezystywnością materiału półprzewodnika ogranicza rozpływ prądu do centralnej części struktury lasera, zaś bardzo niska wartość współczynnika załamania apertury tlenkowej, w porównaniu z wartością tego współczynnika w materiale półprzewodnika, skutkuje ograniczeniem pola optycznego do tego samego obszaru. W celu zwiększenia mocy wyjściowej wiązki promieniowania lasera VCSEL zwiększa się zwykle średnice jego obszaru czynnego. Niestety niekorzystną tego konsekwencją jest znacznie bardziej niejednorodny radialny rozkład gęstości prądu wstrzykiwanego do obszaru czynnego (szczególnie dla wyższych temperatur otoczenia), a co za tym idzie bardziej niejednorodny rozkład wzmocnienia promieniowania. Prowadzi to do obniżenia wzajemnego przekrycia radialnych rozkładów wzmocnienia optycznego oraz natężenia promieniowania pożądanego modu podstawowego LP 01. W rezultacie mody poprzeczne wyższych rzędów cechują się w takich strukturach niższymi progami akcji laserowej niż mod podstawowy, czego konsekwencją jest nieunikniona wielomodowa praca tych przyrządów. Zgodnie ze zgłoszeniem patentowym P-363652, w celu skutecznego radialnego ograniczenia pola promieniowania w rezonatorze standardowego lasera VCSEL, aperturę tlenkową wykonaną w dolnej warstwie ograniczającej umieszczono w strzałce fali stojącej promieniowania. Apertura wykonana w górnej warstwie ograniczającej jest umieszczona w węźle tej fali, gdzie działa ona jedynie jako apertura elektryczna ograniczająca rozpływ prądu wstrzykiwanego do obszaru czynnego, mając znikomy wpływ na rozkład pola optycznego. Zgodnie z wynalazkiem stwierdzono, że górna apertura tlenkowa wykonana w górnej warstwie ograniczającej typu p, o średnicy równej średnicy obszaru czynnego, usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania w rezonatorze lasera, powoduje, poprzez zwiększenie jej średnicy, znaczne powiększenie średnicy obszaru czynnego, a zatem zwiększenie dostępnej mocy wychodzącej wiązki promieniowania. Równocześnie usytuowanie dolnej apertury tlenkowej wykonanej w dolnej warstwie ograniczającej typu n w węźle fali stojącej oraz zmniejszenie średnicy dolnej apertury w stosunku do średnicy górnej apertury nie wpływa na radialny rozkład promieniowania, poprawia natomiast jednorodność wstrzykiwania prądu do obszaru czynnego, powiększając gęstość prądu wstrzykiwanego do jego centralnej części, a co za tym idzie obniża prąd progowy akcji laserowej modu podstawowego i pozwala uzyskać stabilną pracę jednomodową w szerokim zakresie prądów zasilania. Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia laser w przekroju wzdłużnym, fig. 2 - wykres pracy progowej lasera z górną aperturą o średnicy większej od średnicy dolnej apertury, w reżimie CW (praca z falą ciągłą), zaś fig. 3 - wykres pracy progowej w reżimie CW lasera z aperturami górną i dolną o jednakowych średnicach. Laser arsenkowy VCSEL zawiera heterostrukturę półprzewodnikową o kształcie walca o grubości 1154,8 nm, umieszczoną między dwoma, usytuowanymi jedno nad drugim, zwierciadłami Bragga (DER), górnym 1 i dolnym 9. Heterostruktura jest przymocowana od dołu do miedzianego radiatora 10. Górne 1 jest wykonane z osadzonych przemiennie warstw GaAs i Al 0,8 Ga 0,2 AS, każda o grubości równej ¼ długości fali promieniowania, zaś dolne 9 z osadzonych przemiennie analogicznych warstw GaAs i AlAs. Heterostruktura zawiera, w swej centralnej części, obszar czynny 5
PL 210 400 B1 3 usytuowany w strzałce fali stojącej promieniowania, w postaci podwójnej studni kwantowej (DQW) GaInNAs przedzielonej barierą GaAs, o kształcie walca, ograniczony od góry i od dołu warstwami ograniczającymi GaAs: górną 3 typu p, i dolną 7 typu n. Laser zawiera dwa pierścieniowe, metalowe kontakty górny 2, stykający się z górną warstwą ograniczającą 3, i dolny 8, stykający się z dolną warstwą ograniczającą 7. Wewnątrz obydwu warstw ograniczających 3 i 7 są wykonane apertury tlenkowe z Al x O y 4 i 6, o kształcie współosiowych pierścieni kołowych usytuowanych w pobliżu ich krawędzi. Apertura 4, wykonana w górnej warstwie ograniczającej 3 typu p, jest usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania, zaś apertura 6, wykonana w dolnej warstwie ograniczającej 7 typu n, jest usytuowana w węźle tej fali. Parametry konstrukcyjne tego lasera przedstawiono w tabeli, w której podano również współczynniki załamania oraz absorpcji poszczególnych warstw lasera, a także szybkości ich zmian wraz z temperaturą. Znak * w kolumnie podającej grubość oddziela krotność występowania danej podwarstwy od jej grubości. Warstwa GaAs górne Al 0,8 Ga 0,2 AS górne Grubość nm Współczynnik załamania n R T a b e l a dn R /dt 10-4 K Grupowy współczynnik załamania n g Współczynnik absorpcji α, cm -1 dα/dt 10-3 cmk 28* 95,6 3,4 3,0 3,654 1 1,28 28* 108 3,01 1,47 3,198 1 1,28 p-gaas 360,9 3,4 3,0 3,654 20 1,28 Al x O y 50 1,61 0 1,681 20 0 p-gaas 341,2 3,4 3,0 3,654 5 1,28 GaInNAs studnia kwantowa 2* 6,5 3,8 3,0 4,62 0 0 Bariera GaAs 25 3,4 3,0 3,654 0 0 n-gaas 260,5 3,4 3,0 3,654 2,5 1,28 Al x O y 15 1,61 0 1,681 2,5 0 n-gaas 89,2 3,4 3,0 3,654 2,5 1,28 GaAs dolne AlAs dolne 34* 95,6 3,4 3,0 3,654 0,5 1,28 34* 111,5 2,915 1,34 3,056 0,5 1,28 W celu dokonania oceny parametrów pracy lasera według wynalazku przeprowadzono symulację pracy progowej (prąd progowy I th ) tego lasera z rezonatorem 3λ, podwójną studnią kwantową DQW o grubości warstw 6,5 nm, aperturą górną o średnicy ф = 10 μm (stosunkowo duża średnica) i dolną o średnicy ф = 7,5 μm, w reżimie CW (praca z falą ciągłą) - fig. 2. Dla porównania przeprowadzono również symulację pracy w reżimie CW lasera z rezonatorem 3λ, podwójną studnią kwantową DQW o grubości warstw 6,5 nm, z obydwiema aperturami o identycznych średnicach - fig. 3. Jak należało przypuszczać promieniowanie lasera według wynalazku zawierało jedynie podstawowy mod promieniowania LP 01 w całym analizowanym zakresie zmienności temperatury obszaru czynnego T A,max ponad temperaturę pokojową 300 K, podczas gdy laser o obu identycznych aperturach cechował się pracą na modzie poprzecznym wyższego rzędu LP il o rzędzie szybko rosnącym ze wzrostem temperatury obszaru czynnego.
4 PL 210 400 B1 Zastrzeżenie patentowe Laser półprzewodnikowy o emisji powierzchniowej, z pionową wnęką optyczną, o kształcie cylindrycznym, którego heterostruktura półprzewodnikowa, umieszczona między dwoma, usytuowanymi jeden nad drugim, zwierciadłami Bragga, zamocowana do miedzianej podstawy, zawiera w części centralnej pionową wnękę optyczną o kształcie walca, z obszarem czynnym usytuowanym w strzałce fali stojącej promieniowania, między górną warstwą ograniczającą typu p i dolną warstwą ograniczającą typu n, wyposażony nadto w dwa współosiowe pierścieniowe kontakty, jeden przylegający do górnej powierzchni górnej warstwy ograniczającej typu p, i drugi stykający się z dolną warstwą ograniczającą typu n, w którego obydwu warstwach ograniczających, w pobliżu ich krawędzi, są wykonane pierścieniowe apertury tlenkowe, znamienny tym, że apertura tlenkowa (4), wykonana w górnej warstwie ograniczającej typu p (3), jest usytuowana w strzałce fali stojącej promieniowania, zaś apertura tlenkowa (6), wykonana w dolnej warstwie ograniczającej typu n (7), jest usytuowana w węźle tej fali, nadto średnica apertury tlenkowej (4) górnej warstwy ograniczającej typu p (3) jest większa od średnicy apertury tlenkowej (6) dolnej warstwy ograniczającej typu n (7) i równa średnicy obszaru czynnego (5). Rysunki
PL 210 400 B1 5
6 PL 210 400 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)