Бистабильный полупроводниковый лазерный элемент

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ54 Бистлвильньтй ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕМЕНТБистабильный полупроводниковый лазерный элемент, содержащий активный слой,расположенный между эмиттерными слоями р- и п-типа, область усиления и область насыщаемого поглощения, сформированные-в активном слое, отличающийся тем, что меж ДУ ОбЛаСТЯМИ УСИЛВНИЯ И НЗСТДЩЗСМОГГЮ, поглощения, выполненными в виде кванто воразмерных слоев, расположен барьерныйслой с непрерывно возрастающей от областиусиления к области насыщаемого поглощед ния шириной запрещенной зоны, а в облао сти насыщаемого поглощения тпириназапрещеннои зоны со стороны эмиттерного а слоя п-типа больше, чем со стороны барьерного ах слоя, при этом толщина области усиления, по ф крайней мере, в два раза больше толщины 1-1 области насыщаемого поглощения.(71) Заявитель Институт физики им. Б.И. Степанова Академии наук Беларуси (ВЧ)(73) Патентообладатель Институт физики им. Б.И. Степанова Академии наук Беларуси Фонд фундаментальных исследований Республики Беларусь (ВЧ)Изобретение относится к области полупроводниковой квантовой электроники и может быть использовано при создании устройств обработки, передачи и записи сигналов в оптических информаписано-вычислительных системах.Известен полупроводниковый лазерный элемент на основе гетероструктуры с квантоворазмерными слоями 1 . Известное устройство имеет встроенный модулятор, с помощью которого осуществляется переключение. Для подачи напряжения на модулятор втсполъзуют два дополнительных электрода. Для электрической изоляцни лазерной секции от модулятора вьшолненът канавки. Т.е. гетероструктура подвержена механическим повреждениям и,как следствие, быстрой деградации. Кроме того, для быстрого переключения лазерного элемента с помощью модулятора необходимо использовать подачу строго заданных импульсов напряжения с резкими фронтами.Таким образом, указанный полупроводниковый лазерный элемент имеет низкую воспроизводимость энергетических параметров в области переключения, нестабильность.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является бистабизгьный лазерный диод, содержащий активный слой, в котором выполнены области усиления и насьпцаемого поглощения 2 . Поглощающая область расположена рядом с областью усиления. Дополнительно известный бистабильный лазерный диод снабжен управляющей областью, расположенной рядом с поглощающей и пропускающей поступающее из этой области излучение с управляемым коэффициентом передачи. На управляющую область подают напряжение определенной величины. Лазерный диод включают, воздействуя на активный слой излучением внешнего источника, а выключают путем подачи на управляющую область импульса сброса напряжения. Таким образом,для бистабидтьного переключения известного лазерного диода необходимо подбирать внешний источник излучения на определенной длине волны и достаточной для переключения мощности, а также обеспечивать ввод внешнего излучения в лазерный диод. Кроме того,конструкция лазерного диода усложнено тем,что все три области, выделенные в активном слое, должны быть надежно электрически изолированы. Для устойчивой работы лазерного диода необходимо обеспечивать поддержание заданного напряжения на управляющей области.В основу изобретения положена задача получения высокой воспроизводимости параметров бистабильного полупроводникового лазерного элемента при конструктивном вы 10полнении, обеспечивающем максимальную технологичность его изготовления. Поставленная задача решается таким образом, что в бистабильном полупроводниковом лазерном элементе с активным слоем, в котором сформированы область усиления и область насыщаемого поглощения, указанные области усиления и насыщаемого поглощения выполнены в виде квантоворазмерньпс слоев разной толщины. Между усиливающим и поглощающим квантоворазмерными слоями расположен барьерный слой, в котором состав материала непрерывно Изменяется таким образом, что ширина запрещенной зоны, как функция расстояния от усиливающего квантоворазмерного слоя к поглощающему квантоворазмерному слою, возрастает. При этом в поглощающем квантоворазмерном слое ширина запрещенной зоны со стороны эмиттерного слоя п-типа выще, чем со стороны барьерного слоя, а его толщина, по крайней мере, в 2 раза меньше толщины усиливающего квантоворазмерного слоя. В результате неоднородной инжекции носителей тока в эти слои создается дисбаланс населенностей уровней энергии в них. Поэтому слой с большей толщиной усиливает излучение на некоторой длине волны, а другой квантоворазмерньтй слой меньшей толщины поглощает излучение на этой же длине волны. При определенном токе накачки конкуренция двух процессов усиления и поглощения излучения обеспечивает бистабшгъное переключение лазерного элемента, т.е. мощность выходящего излучения скачком достигает требуемой величины. Условие неоднородной инжекции, необходимое для бистабильного переключения,выполняется путем подбора состава материала квантоворазмерных и барьерных слоев. Изменение состава материала на границах поглощающего квантоворазмерного слоя приводит к разнице потенциальных барьеров для носителей тока со стороны барьерного слоя и эмиттерного слоя п-типа. В результате электроны легко инжектируются через поглощающий квантоворазмерный слой в усиливающий. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан общий вид бистабильного полупроводникового лазерного элемента. На фиг.2 представлена зонная схема лазерного элемента, показывающая изменение энергии в зоне проводимости Ес и валентной зоне Е. в слоях гетероструктуры в зависимости огг координаты на примере системы баАз-АьдбаъхАз. На фиг.3 показаны зависимость мощности лаверного излучения 5 (в единицах поверхностной плотности фотонов) от плотности тока накачки 3 (а) и изменение поверхностной конЦСНТраЦИИ ЭЛВКТрОНОВ В ПОГЛОЩЗЮЩСМ квантоворазмерном слое ш и усиливающем квантоворазмерном слое 112 (б). На фиг.4 по 5 ВУ 1099 С 1 вказино распределение ширины запрещенной зоны Ед (а) и состава материала слоев гетероструктуры Х (б) по координате 2 на примере системы 1 пР-6 ах 1 п 1-хА 5 уР 1 у.Предлагаемый бистабильный полупроводниковый лазерный элемент имеет планарную конструкцию, в которой между поглощающим квантоворазмерным слоем 1 и усиливающим квантоворазмерным слоем 2 расположен барьерный слой З. С ДРУГОЙ стороны к поглощаю щему слою 1 примыкает эмиттерный слойп-тппа 4, а к усиливающему квантоворазмерному слою 2 пришякает барьерный слой 5,контактирующий с эмиттерным слоем 6 с электропроводностью р-типа. Для подачи напряжения служат электрические контакты 7 и 8. Бистабильный полупроводъшковый лазерный элемент может быть изготовлен методами молекулярно-лучевой эпитаксии или МОСгидридной технологии.Работает предлагаемый бистабильный злемент следующим образом. Например, гетероструктура в системе баАз-АьсбаъхАз может содержать квантоворазмерный слой 1 из баАз толщиной 5 нм и квантоворазмерный слой 2 из мхбаъхАв толщиной 10 нм с составом Х 0.2. Между ними расположен барьерный слой 3 толщиной 20 нм с переменным составом Х от 0,30 до 0,45, возрастающим от слоя 2 к слою 1. Инжекция электронов осуществляется из эмиттерного слоя 4 п-типа с составом иолупроводника Х 0,5. Инжекция дырок осуществляется из барьерного слоя 5 толщиной 20 нм с переменным составом Х от 0,3 до 0,5 и эмиттерного слоя 6 р-типа с составом полупроводника Х 0,5. Отличие состава Х на границе поглощающего квантоворазмерното слоя 1 со стороны барьерного слоя 3 и эмиттерногослоя 4 приводит к разнице потенциальных барьеров для носителей тока. В результате электроны легко инжектируются через слой 1 в квантоворазмерный слой 2, при этом коэффициент гшжещш в квантоворазмерньпй слой 1 может составлять менее 0,3. Дырки также легко инжектируются в квантоворазмерный слой 2, но их проникновение в слой 1 затруднено из-за барьерного слоя З. Поэтому при неоднородной инжекции квантоворазмерный слой 2 усиливает излучение, а квантоворазмерный слой 1 поглощает. В лазерном элементе в системе баАз-АъдбаьхАз бистабильное перешлочение осуществляется на длине волны излучения 0,7 мкм. -.Бистабильный лазерный элемент на длину волны 1,3 мкм может, быть реализован насистеме 1 ПР 6 ах 1 П-)А 3 Р-у. При этом для согласования постоянных решетки состав четвертного соединения должен удовлетворять условию У 22 Х. Например, активная область элемента из Оах 1 п 1-хА 5.Р 1.у содержит квантоворазмерный слой 1 толщиной 6 нм с составом Х 043 и квантоворазмерный слой 2 толщиной 14 нм с составом Х 0,27. Барьерный слой 3 имеет переменный состав, для которого Х убывает от 0,15 до 0,07, как функция расстояния от слоя 2 к слою 1. Эмиттерные слон 4 и 6 п- и р-типа, соответственно, выполнены из 1 пР. Лазерные элементы на другие длъшы волн могут быть реализованы путем подбора состава материала квантоворазмерных слоев.Состав полупроводника н толщину квантоворазмерных слоев 1 и 2 подбирают так, чтобы длина волны излучения усиливающего слоя 2 была меньше, чем длина волны излучения,поглощаемого в слое 1. Это достигается при условии, что толщина поглощающего квантоворазмерного слоя, по крайней мере, в 2 раза меньше толщины усиливающего квантоворазмерного слоя.Как видно из фиг.За при определенном токе накачки осуществляется бистабильное переключение лазерного элемента. При этом мошность выходящего излучения устанавливается скачком и достигает заданного значения. С дальнейшим увеличением тока накачки мощность генерации монотонно возрастает. При снижении тока накачки выключение лазерного элемента, т.е. спад мощности генерируемого излучения до нуля, происходит при меньшем значении, чем при вкдпочении лазера. Таким образом, имеет место гистерезис ваттамперной характеристики, который сопровождается соответствующим гистерезисом на зависимостях ш и п от 1 (фиг.3,б).Величина тока переключения, значение мощности генерации и ширина петли гистерезиса легко управляются добротностью резонатора, температурой и подбором параметров гетероструктуры. Бистабильные полупроводниковые лазерные элементы, изготовленные по единой технологии и имеющие одинаковые геометрические размеры, обладают одними и теми же характеристиками переключения, у них гарантированно отсутствует разброс параметров. Планарная конструкция предлагаемого лазерного элемента обеспечивает простоту и надежность его эксплуатации. При этом нет необходимости в дополнительных устройствах для контроля и управления работой Бистабильного лазерного элемента.Заказ 1318 Тираж 20 экз. Государственное патентное ведомство Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.