12.1. Одномодовые лазеры.

Целью создания одномодовых лазеров является снижение абсолютных значений порогового тока и устойчивого непрерывного режима генерации, а также создания условий эффективной стыковки с одномодовым волокном.

Одномодовыми лазерами называются лазеры у которых ближнее поле в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры имеет только одну нулевую или основную моду.

Рис. 120. Схематичное изображение электромагнитных мод в резонаторе полупроводникового лазера.

Одномодовый лазер имеет только одну нулевую моду в направлении Z (профиль вертикальных мод) и одну нулевую или основную моду в направлении У (профиль латеральных мод) (рис. 120). В этом случае картина дальнего поля в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры имеет только один лепесток в диаграмме направленности излучения.

Рис. 121. Схематическое изображение полупроводникового лазера и диаграммы направленности излучения, выходящего из лазера с распределением интенсивности по углу отклонения от оси резонатра Фабри-Перо.

Для достижения генерации на основной моде необходимо сужение полоскового контакта по оси У. При этом наилучшим вариантом считается достижение равенства в диаграммах направленности в параллельной и перпендикулярной плоскостях. В этом случае достаточно просто достигается высокий коэффициент ввода излучения и полупроводникового лазера в оптическое кварцевое волокно. Изобретение большого количества конструкций одномодовых лазеров связано с созданием кварцевого волокна с малыми оптическими потерями.

На рисунке рис.122 приведено изображение простейшей конструкции одномодового лазера – с оксидной изоляцией пассивных областей. Полосковый контакт образуется нанесением диэлектрика на поверхность лазерной гетероструктуры, затем наносится омический контакт.

Рис.122. Полосковый одномодовый лазер, полученный оксидной изоляцией полоскового контакта.

Следует сразу же отметить недостаток этой конструкции – сильное растекание носителей заряда в пассивный области под полоском контакта по контактному слою в эмиттерные слои. Это приводит к сильнейшему возрастанию пороговой плотности тока.

Рис. 123. Зависимость пороговой плотности тока от ширины полоскового контакта.

Одномодовый режим генерации достигается при ширинах полоскового контакта порядка 5 мкм, но непрерывный режим генерации становится затруднительным из-за сильного возрастания пороговой плотности тока.

Рисунок 124 иллюстрирует растекание носителей заряда в полосковом лазере с оксидной изоляцией. Следует заметить, чем дальше от активной области расположен инжектирующий контакт, тем большая доля носителей заряда будет растекаться в пассивные области лазерной структуры.

12.2 Конструкции одномодовых полупроводниковых лазеров.

Существует два подхода при конструировании одномодовых полупроводниковых лазеров. Первый предусматривает эпитаксиальное выращивание лазерной гентероструктуры, а затем посредством постростовых операций (фотолитография, травление, нанесение диэлектрических изолирующих слоев, заращивание и др.) формируется одномодовый лазер.

Второй подход состоит из подготовительных операций с подложкой, формирующих неравновесные условия последующего заращивания, а затем роста эпитаксиальных слоев, формирующих лазерную структуру.

Рис.125. Приведены самые распростроненые конструкции полупроводниковых одномодовых лазеров изготовленные с помощью первого подхода.

а – с протонной бомбардировкой пассивных областей;

б – мезаполосковой конструкцией, с вытравленными пассивными областями;

с – зарощенная мезаполосковая конструкция.

Все три конструкции имеют преимущество перед конструкцией с оксидной изоляцией и позволяют уменьшать ширину полоска без возрастания пороговой плотности тока до меньших размеров полоскового контакта.

Рис.126. Приведено схематическое изображение конструкций одномодовых зарошенных полупроводниковых лазеров. Все они позволяют достичь одномодового режима генерации при сужении активного полоска до 2-3 мкм. При этом пороговая плотность тока возрастает не больше чем в 1.3-1.5 раза. За это отвечают токовые утечки через дефекты на границе активной области. Необходимо заметить, что в этих лазерах не достигается диаграммы направленности с равными величинами расходимости излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях, что затрудняет эффективный ввод излучения в волокно.

Рис. 127. Конструкции одномодовых лазеров изготовленных с применением второго подхода в конструировании. Во всех случаях подложка с предварительно выращенными слоями обрабатывается с помощью постростовых операций, которые в последствии позволяют сформировать узкий полосок активной области, без образования токовых утечек в пассивные области. Фотографии сколов резонатора Фабри – Перо таких конструкций полупроводниковых лазеров.

Ниже приведена конструкция одномодового лазера относящаяся ко второму подходу, очень сложная для технологического воплощения. Сначала выращиваются подготовительные эпитаксиальные слои, затем с помощью фотолитографии и мокрого химического травления вытравливается полосок в выращенных слоях затребованной глубины. За тем структура заращивается эпитаксиальными слоями р- и n- проводимости, которые образуют блокирующий р-n переход. После этого производится диффузия цинка обеспечивающая инжектирующий полосковый контакт.

Рис. 128. Одномодовый лазер конструкция которого получена поэтапным заращиванием слоями, вытравливанием канала, заращиванием слоями лазерной структуры и проведением диффузии.

Рис. 129. Еще один вариант конструкции второго типа. В подложке вытравлена канавка, которая после заращивания слоями образующими лазерную структуру образует волновод. Проведение диффузии цинка позволяет сформировать омический инжектирующий полосковый контакт.

Самым интересным в конструкции является способ образования волноводного эффекта за счет перепада эффективного показателя преломления.

Все конструкции изготовленные с использованием второго подхода позволяют снизить ширину области протекания тока до 2 мкм и меньше, что обеспечивает практическое равенство диаграмм направленности в параллельной и перпендикулярной плоскостях.