ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ

До сих пор мы рассматривали полупроводниковые лазеры, которые гене­рируют свет в направлении, параллельном плоскости перехода и, следова­тельно, от одной грани устройства (лазеры с торцевым излучением). Для некоторых применений, которые будут рассмотрены в следующем разделе, были разработаны полупроводниковые лазеры, которые излучают в направ­лении, перпендикулярном плоскости перехода. Эти устройства обычно на­зываются лазерами поверхностного излучения и изготавливаются с учетом одного из двух следующих принципов:

1. Использование обычной геометрии с торцевым излучением, но с уста­новкой дополнительных оптических элементов, например расположенного под углом 45° зеркала, для того чтобы вертикально отклонить выходной пу­чок (рис. 9.33а).

2. Нанесение высокоотражающих покрытий на внешние области актив­ного слоя, что приводит к формированию вертикального резонатора, из ко­торого выходной пучок распространяется перпендикулярно плоскости пере­хода (лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором, УСБЕЬ лазеры, см. рис. 9.336).

Лазеры поверхностного излучения, схематичное изображение которых приводится на рис. 9.33а, концептуально не отличаются от лазеров с торце­вым излучением. С другой стороны, особенностью лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (рис. 9.33б) является очень корот­кая длина активной области и, как следствие, очень малое значение усиле­ния. Тем не менее, малое усиление в таком лазере преодолевается за счет ис­пользования зеркал с большими коэффициентами отражения, при которых

Обеспечиваются низкие пороги генерации. Такие лазеры имеют определен­ное преимущество над соответствующими устройствами с торцевым излуче­нием, которое обусловлено, по сути, высокой плотностью упаковки и низки­ми пороговыми токами. Ниже будут рассмотрены именно лазеры поверхно­стного излучения с вертикальным резонатором [51].

На рис. 9.34 представлена схема устройства лазера поверхностного излу­чения с вертикальным резонатором, использующего в качестве активной сре­ды три слоя In0 2Ga0 gAs/GaAs-структуры с напряженными квантовыми яма­ми (толщина каждого слоя составляет 8 нм). Эти три активных слоя распо­ложены между двумя промежуточными слоями из Ga0>5Al0 5As для того, чтобы набрать полную толщину в одну длину волны. Нижнее и верхнее зер­кала выполнены соответственно из 20,5 пар n-активированных и 16 пар р-активированных четвертьволновых слоев из GaAs/AlAs. Благодаря боль­шой разнице показателей преломления двух слоев (3,6 для GaAs и 2,9 для AlAs) обеспечивается очень высокая отражающая способность (-99%) для обо­их зеркал. Кроме того, благодаря короткой длине резонатора потери на рас­сеяние и поглощение в активном слое очень малы, и можно получить доста­точно низкие пороговые плотности тока (Jth = 4 кА/см2). Поскольку диаметр круглой поверхности, через которую протекает ток, обычно выбирается очень малым (D = 5 - г-10 мкм), пороговый ток также оказывается небольшим (~1 мА). Благодаря столь малому поперечному сечению активной области лазеры по­верхностного излучения с вертикальным резонатором, как правило, работа­ют на моде ТЕМ00 даже при токах, значительно превышающих пороговое значения (например, в 2 раза). Также следует отметить, что из-за малой дли­ны лазерного резонатора (1-2 мкм) последующие продольные моды доста­точно далеко отстоят друг от друга по длине волны (АХ ^100 нм). Таким об­разом, если одна мода совпадает с пиком отражения каждого из четвертьвол­новых слоев, то две соседние моды выпадают из полосы высокого отражения зеркал, и возникает генерация на одной продольной моде.

Изготовление лазеров поверхностного излучения с вертикальным резо­натором представляет собой достаточно непростую задачу. Одной из глав­ных проблем является высокая точность изготовления резонатора требуе­мой длины, так чтобы только одна продольная мода попадала точно в центр полосы высокого отражения зеркал. Другая проблема была связана с изго­товлением множества четвертьволновых слоев (с точностью порядка Х/4). Решение этих проблем обеспечило в лазерах поверхностного излучения воз-
мож^ость достижения низких порогов генерации. При соответствующей минимизации внутрирезонаторных потерь в таких лазерах можно достичь очень ^ысоких значений дифференциального КПД, сравнимых с КПД лазе­ров с тфцевым излучением. На самом деле было продемонстрировано значе­ние дифференциального КПД до 50%. Выходная мощность отдельного лазе­ра поверхностного излучения с вертикальным резонатором весьма ограниче­на (окодо 1 мВт). Это связано с возникновением термических проблем, обусловленных введением высоких мощностей накачки в такой малый объ­ем активной среды. Для увеличения выходной мощности изготавливаются матрицы из таких лазеров с независимой адресацией (например, матрица 8x8), а та^же лазеры с матричной адресацией.

Пример 9.4. Пороговая плотность тока и пороговый ток в лазерах поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Согласно выра­жению (9.4.9) и принимая фактор локализации пучка равным Г = 1, можно записать = (у/а/) + Л^г, где I — толщина активного слоя. Следуя приме­ру 9.2, положим, что И1г = 2 • 1018 см-3 и а « 6 • 10~16 см2 для концентрации прозрачности носителей и для дифференциального усиления квантовораз­мерных структур с напряженным слоем соответственно. Тогда потери за один проход задаются с помощью выражения у = -1п Д + а*1», где И — коэффици­ент отражения по мощности для каждого из двух зеркал, аь — коэффици­ент внутренних потерь и Ь — длина резонатора. Если принять Я = 99%, аТ — 20 см-1 и! = 2 мкм, получим у = 1,4 • 10~2. Полагая теперь, что суммар­ная толщина активных слоев равна 1 = 24 нм, находим = 11 • 1018 см-3, а это означает, что величина преобладает над слагаемым (у/а/), ко­торое описывает потери. Из выражения (9.4.3), принимая г|* = 1 и т = 2 не, получаем Jth = 3,84 • 103 А/см2. При выборе диаметра активной области £> = 8 мкм, пороговый ток составит 1гН = (л£>2/4) = 0,44 мА.