Полупроводниковый лазерный излучатель

Предложенные полупроводниковые лазерные излучатели предназначены для использования в аппаратуре медицинской диагностики, экологической аппаратуре контроля газовых сред, волоконно-оптических датчиках давления, температуры, вибрации, химического анализа веществ, скорости потока жидкости и газов, в системах связи, контрольно-измерительной аппаратуре. Полупроводниковый лазерный излучатель содержит по крайней мере один полупроводниковый активный кристалл лазерного диода и кристаллическую брэгговскую решетку, из чередующихся параллельных слоев двух видов полупроводниковых материалов. Решетка находится в оптическом контакте с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводу излучения. Техническим результатом предложенного полупроводникового лазерного излучателя является увеличение мощности излучения при сохранении стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл, а также значительное упрощение технологии изготовления за счет упрощения и ускорения сборки элементов излучателя, увеличение долговечности и надежности, уменьшение габаритов излучателя, снижение его себестоимости.

1 н.п., 4 з.пп., одна фигура.

Область техники

Полезная модель относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к полупроводниковым лазерным излучателям, в том числе к лазерным диодам.

Предшествующий уровень техники

Актуальной проблемой является стабилизация длины волны и ширины спектра выходного излучения полупроводниковых лазерных излучателей, в частности лазерных диодов, с токовой инжекцией при выводе излучения через торец активного кристалла с осью выходного излучения в плоскости p-n перехода.

Известно, что для стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения лазерного диода с одной из торцевых сторон активного элемента помещают брэгговскую решетку. Она может быть либо на поверхности волноведущего слоя из не поглощающего лазерное излучение полупроводникового кристалла [Н.Н.Гавриленко и др. Квантовая электроника, 17, 40 (1990)], либо на поверхности световолокна (см., например, [V.Jayaraman, Z.M.Chuang, L.A.Coldrew IEEE J.Quntum Electron., v.QE-29, no.6, 1993, p.1824 - обзор; И.A.Авруцкий, В.П.Дураев и др., Письма в ЖТФ, т.13, вып.14 (1987), сс.849-854; заявка US 2010/0074282, опубликованная 25.03.2010]).

Лучшие результаты по стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения и его сужения были получены при использовании фотоиндуцированной решетки Брэгга, сформированной на сердцевине световолокна - волоконной брэгговской решеткой (далее, ВБР). Известно, что такую решетку размещают как на пути выходного сигнала [Свидетельство на полезную модель 8175 RU от 11.12.1997, МПК 6 - H01S 3/18, опубликовано 16.10.1998; М.I.Belovolov. A.V.Gladyshev, V.P.Duraev et al., Proc. of SPIE, Vol. 5381, pp.20-25, Fig.1]), так и со стороны, противоположной выводу излучения (см., например, [М.I.Belovolov, A.V.Gladyshev, V.P.Duraev et al., Proc. of SPIE, Vol 5381, pp.20-25, Fig.2; O.B.Журавлева и др. Квантовая электроника, 36, 8 (2006), с.743, Рис.1]). В обоих случаях для повышения качества выходного излучения преимущественно используют два микрохолодильника, индивидуальных для активного элемента и для ВБР.

Во всех рассмотренных случаях наибольшие проблемы возникают при юстировании световолокна с брэгговской решеткой относительно излучающей области полупроводникового излучателя во время его сборки и сохранении достигнутых параметров во время его эксплуатации.

Наиболее близким является полупроводниковый лазерный излучатель на основе многослойной гетероструктуры с p-n переходом [O.B.Журавлева и др. Квантовая электроника, 36, 8 (2006), с.743, Рис.1]. На поверхностях активного элемента, параллельных плоскости p-n перехода, имеются металлические токовые контакты для инжекции тока накачки в активную область при работе прибора. На параллельных торцевых гранях, перпендикулярных продольной оси активной области выходного излучения, имеются соответствующие покрытия, на торцевой грани, противоположной выводной - просветляющее покрытие. Элементом с брэгговской решеткой выбрана ВБР, являющаяся фотоиндуцированной решеткой Брэгга на сердцевине световолокна. ВБР находится со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, так, что образованные чередующиеся параллельные плоские области с различным коэффициентом преломления параллельны упомянутой торцевой грани активного элемента. Активный элемент находится на контактной пластине, которая помещена на поверхность микроохладителя. Его противоположная холодная поверхность находится на основании корпуса. ВБР находится на другой контактной пластине, которая помещена на поверхность другого микроохладителя. Его противоположная холодная поверхность находится на основании корпуса.

Для создания такого прибора необходимо осуществление процесса прецизионной юстировки ВБР относительно излучающей активной области активного элемента, для чего используют механическую систему для перемещения решетки. Надежность такой системы обычно низка. Процесс длителен и трудоемок. Необходимо также использование фотодиода для регистрации излучения в процессе юстирования. Используемое дополнительное оборудование дорогостояще. Наблюдаются трудности в сохранении достигнутых параметров во время эксплуатации прибора.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом предложенного полупроводникового лазерного излучателя является увеличение мощности излучения при сохранении стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл, а также значительное упрощение технологии изготовления за счет упрощения и ускорения сборки элементов излучателя, увеличение долговечности и надежности, уменьшение габаритов излучателя, снижение его себестоимости.

В соответствии с полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый лазерный излучатель на основе многослойной гетероструктуры с p-n переходом, содержащий активный элемент с металлическими токовыми контактами на поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, для инжекции тока накачки и получения активных областей излучения при работе лазерного излучателя, причем со стороны поверхности гетероструктуры имеется полосковый контакт, перпендикулярный торцевым граням, а также с оптическими покрытиями на его торцевых гранях, перпендикулярных продольной оси выходного излучения из активной области активного элемента при работе лазерного излучателя, одна из торцевых граней выводная, предназначенная для вывода излучения при работе лазерного излучателя, причем торцевая грань, противоположная выводной, имеет просветляющее покрытие. Со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, имеется элемент с брэгговской решеткой в виде чередования параллельных плоских областей с различным коэффициентом преломления и параллельных торцевой грани. Кроме того, имеется корпус, содержащий контактную пластину, на поверхности которой находится активный элемент, Дополнительно в предложенном полупроводниковом лазерном излучателе активный элемент имеет по крайней мере один полосковый контакт на поверхности гетероструктуры для обеспечения по крайней мере одной активной области при токовой инжекции и, кроме того, имеется по крайней мере один активный элемент. Элементом с брэгговской решеткой является кристаллическая брэгговская решетка, в которой чередующимися параллельными плоскими областями являются чередующиеся параллельные слои двух видов полупроводниковых материалов, причем число пар, их толщины и различие коэффициентов преломления полупроводниковых материалов определяются условием Брэгга. Упомянутая кристаллическая брэгговская решетка имеет оптический контакт с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводной, а между кристаллической брэгговской решеткой и поверхностью контактной пластины имеется слой связующего средства.

Существенным отличием предложенного нового полупроводникового лазерного излучателя (далее, лазерный излучатель) состоит в неочевидном и оригинальном использовании кристаллической брэгговской решетки, (далее, КБР) и ее расположении, не требующих юстирования. Наличие оптического контакта с зеркальной торцевой гранью активного элемента и соизмеримость размеров площадей КБР и торцевой грани исключают необходимость процесса юстирования. Кроме того, исключаются фотодиод, используемый в процессе юстирования элемента с брэгговской решеткой относительно активной области активного элемента и дополнительный микроохладитель для элемента с брэгговской решеткой. В то же время КБР находится на микроохладителе совместно с активным элементом, в процессе накачки лазерного излучателя через КБР ток не проходит, вследствие чего температура КБР остается неизменной при работе лазерного излучателя.

Кристаллическая брэгговская решетка может быть выращена либо методом молекулярно-лучевой эпитаксии, либо методом МОС-гидридной эпитаксии, например, на подложке GaAs, образованием чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAlAs и GaAs. Ее подбирают в соответствии с длиной волны излучения СД излучателя.

Отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования и длительного трудоемкого процесса прецизионного юстирования привело к удешевлению и ускорению процесса сборки лазерного излучателя.

Вероятность разъюстировки вследствие сдвигов КБР по отношению к плоскости торцевой грани активного элемента исключена, так как активный элемент и КБР дополнительно закреплены относительно друг друга.

Технический результат достигается также тем, что слоем связующего средства являются либо стеклянная паста, либо оптический клей.

Проведенные испытания при различных климатических воздействиях среды подтвердили предполагаемую высокую надежность предложенного устройства при высокой выходной мощности излучения со стабильной длиной волны в процессе работы и сохранении ширины спектра выходного излучения при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл.

Технический результат достигается тем, что на одной из поверхностей активного элемента находятся по крайней мере два полосковых металлических токовых контакта, т.е. наличия по крайней мере двух активных областей при работе лазерного излучателя. Такой активный элемент является монолитной излучающей линейкой и имеет две параллельные торцевые грани, выводную и противоположную ей. Кристаллическая брэгговская решетка также находится в оптическом контакте с торцевой гранью активного кристалла, противоположной выводной, т.е. одна КБР ко всем имеющимся активным областям. Получают выходное излучение повышенной мощности со стабильной длиной волны и шириной спектра.

Технический результат достигается тем, что при имеющихся по крайней мере двух активных элементах упомянутая кристаллическая брэгговская решетка находится в оптическом контакте с обеими торцевыми гранями, противоположными выводным, обоих активных элементов. Этот признак относится ко всем возможным различным соединениям активных элементов как излучающим линейкам, так и излучающим решеткам.

Таким образом, предложены полупроводниковые лазерные излучатели как диоды, так и более мощные: линейки (как наборные, так и монолитные), решетки. Увеличены их долговечность и надежность. Достигнуто повышение мощности при стабильной длине волны и ширине спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный(е) кристалл(ы). Значительно упрощена сборка элементов лазерного излучателя, уменьшены временные затраты, уменьшены габариты излучателя, снижена его себестоимость.

Анализ патентных материалов, и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков полезной модели нова.

Технологическая реализация предложенного в настоящей полезной модели полупроводникового лазерного излучателя основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Настоящая полезная модель поясняется фигурой 1, на которой схематически изображено продольное сечение предложенного полупроводникового лазерного излучателя, где 1 - металлокерамический корпус, 2 - активный элемент полупроводникового лазерного излучателя, 3 - микроохладитель, 4 - терморезистор, 5 - одномодовое световолокно, 6 - микролинза, 7 - кристаллическая брэгговская решетка, 8 - оптический коннектор, 9 - контактная пластина, 10 - слой связующего средства.

Осуществление полезной модели

В дальнейшем полезная модель поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные модификации лазерного излучателя не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы полезной модели.

Рассматриваемый предложенный лазерный излучатель состоит из одного активного элемента 2 лазерного диода (далее, ЛД). Активный элемент 2 изготовлен из пластины многослойной гетероструктуры РО ДГС из полупровониковых соединений InAlAs-InGaAs-InGaAsP (с p-n переходом), выращенной на подложке из GaAs. На сколотых зеркальных торцевых гранях, параллельных друг другу, нанесены оптические покрытия. Просветляющее покрытие с коэффициентом отражения, равным 0,05%, на торцевую грань, противоположную выводной.

На поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, активного элемента имеются металлические токовые контакты: на поверхности подложки - сплошной металлический токовый контакт из Sn-Au, а на поверхности гетероструктуры - полосковый металлический токовый контакт из Au-Zn, ось которого перпендикулярна торцевым граням.

Контактная пластина 9 соединена из двух контактных пластин лазерной сваркой (на фигуре не указано на первую часть контактной пластины 9 для активного элемента 2 и на вторую часть - для микропечи (на фигуре не показана) с одномодовым световолокном 5).

Активный элемент 2 припаян на поверхности первой части контактной пластины 9. Со стороны, противоположной выводу излучения, на торцевой грани активного элемента 2 на оптическом контакте установлена кристаллическая брэгговская решетка 7 (далее, КБР). Между первой контактной пластиной 9 и КБР 7 имеется стеклянная паста 10 (слой связующего средства 10) для дополнительного закрепления КБР 7. После этого коэффициент отражения со стороны, противоположной выводу излучения, становится равным 97%±1%. КБР 7 изготовлена методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs. В ней образовано 18 пар чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAlAs и GaAs.

В данном случае предусмотрен вывод излучения через одномодовое световолокно 5, установленноей со стороны выводной торцевой грани активного элемента 2 на микропечи, установленной на второй части контактной пластины 9, соединенной с первой контактной пластиной 9 активного элемента 2 лазерной сваркой.

Одномодовое световолокно 5 имеет на конце, обращенном к активному элементу 2, микролинзу 6. На противоположном конце световолокна 5 смонтирован оптический коннектор 8 типа FC/APC. Световолокно 5 защищено полимерным кембриком. Световолокно 5 устанавливают на микропечь, юстируют световолокно 5 относительно активного элемента 2 ЛД, закрепляют его на микропечи и в корпусе 1 типа 14 pin DIL.

На основании корпуса 1 закреплен микроохладитель 3, на противоположной его поверхности припаяны терморезистор 4 и контактная пластина 9 (поверхностью, противоположной расположению активного элемента и т.д.). Имеются требуемые электрические выводы.

ЛД работает следующим образом.

На активный элемент 2 подают постоянный ток. Возникающее излучение выходит из активной области через торцевую грань, противоположную выходной, проходит КБР 7, отражается и селектируется КБР 7, попадает обратно в активную область, отражается от выводной грани в активную область, усиливается в оптическом отражателе, ограниченном выводной торцевой гранью и КБР и достигнув надлежащей мощности выводится через выводную торцевую грань.

Были измерены мощностные и спектральные характеристики ЛД до установки КБР. Получено: мощность излучения равна 5 мВт, ширина спектра выходного излучения - 0,5 нм при длине волны излучения, равной 1064 нм.

При измерении мощностных и спектральных характеристик ЛД и на выходе одномодового световода получено: мощность излучения равна 10 мВт на выходе световода, ширина спектра выходного излучения - 0,5 нм, при длине волны излучения, равной 1064 нм.

При эпектротермотренировке ЛД в течение 100 часов не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения ЛД. При нагреве до 50°С и при изменении тока накачки ЛД не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения.

Для модификации ЛД, в которой связующим средством является оптический клей, параметры ЛД не изменялись.

В следующем варианте лазерного излучателя (на фигуре не показано) имелась линейка из десяти активных элементов 2 на контактной пластине 9. Единая КБР 7 установлена на оптическом контакте на все десять торцевых граней, противоположных выводным, десяти активных элементов 2 линейки и закреплена при помощи стеклянной пасты 10 на контактной пластине 9. Отсутствует световолоконный вывод излучения и исключены и контактная пластина микропечи и световолокна.

Определено, что выходная мощность излучения полупроводникового лазерного излучателя возрастала в 1,5 раза (от 1 Вт до 1,5 Вт). При изменении температуры от 25°C до 50°С длина волны и ширина спектра выходного излучения оставались без изменений.

Именно использование только одной, единой кристаллической брэгговской решетки для всех активных элементов как излучающих линеек, так и излучающих решеток, причем при различного вида активных элементов, позволило обеспечить стабилизацию длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы многоэлементного полупроводникового лазерного излучателя при изменении температуры окружающей среды и тока накачки при высокой мощности излучения. Увеличены долговечность и надежность. Технология изготовления значительно более простая - упрощена и значительно ускорена сборка элементов излучателя. Уменьшены габариты, снижена себестоимость.

Промышленная применимость

Предложенный полупроводниковый лазерный излучатель предназначен для использования в аппаратуре медицинской диагностики, экологической аппаратуре контроля газовых сред, волоконно-оптических датчиках давления, температуры, вибрации, химического анализа веществ, скорости потока жидкости и газов, в системах связи, контрольно-измерительной аппаратуре.

1. Полупроводниковый лазерный излучатель на основе многослойной гетероструктуры с p-n переходом, содержащий активный элемент с металлическими токовыми контактами на поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, причем со стороны поверхности гетероструктуры имеется полосковый контакт, перпендикулярный торцевым граням, а также с оптическими покрытиями на его торцевых гранях, перпендикулярных продольной оси выходного излучения из активной области, одна из торцевых граней выводная, причем торцевая грань, противоположная выводной, имеет просветляющее покрытие, со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, имеется элемент с брэгговской решеткой в виде чередования параллельных плоских областей с различным коэффициентом преломления, параллельных торцевой грани, кроме того, имеется корпус, содержащий контактную пластину, на поверхности которой находится активный элемент, отличающийся тем, что активный элемент имеет по крайней мере один полосковый контакт на поверхности гетероструктуры и, кроме того, имеется по крайней мере один активный элемент, элементом с брэгговской решеткой является кристаллическая брэгговская решетка, в которой чередующимися параллельными плоскими областями являются чередующиеся параллельные слои двух видов полупроводниковых материалов, причем число пар, их толщины и различие коэффициентов преломления полупроводниковых материалов определяются условием Брэгга, упомянутая кристаллическая брэгговская решетка имеет оптический контакт с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводной, а между кристаллической брэгговской решеткой и поверхностью контактной пластины имеется слой связующего средства.

2. Полупроводниковый лазерный излучатель по п.1, отличающийся тем, что связующим средством является стеклянная паста.

3. Полупроводниковый лазерный излучатель по п.1, отличающийся тем, что связующим средством является оптический клей.

4. Полупроводниковый лазерный излучатель по п.1, отличающийся тем, что на одной из поверхностей активного элемента находятся по крайней мере два полосковых контакта.

5. Полупроводниковый лазерный излучатель по п.1, отличающийся тем, что при имеющихся по крайней мере двух активных элементах кристаллическая брэгговская решетка находится в оптическом контакте с обеими торцевыми гранями, противоположными выводным, обоих активных элементов.