Лазеры с вертикальным резонатором на основе квантовых ям, страница 3

       Типичный размер апертуры ЛВР составляет ~10мкм, что определяет заметно меньшую расходимость лазерного излучения (единицы градусов) в сравнении с полосковыми лазерами, где расходимость излучения составляет десятки градусов в плоскости, перпендикулярной p-n переходу. Как правило, апертура ЛВР имеет форму круга или квадрата, что определяет симметричную диаграмму направленности лазерного излучения (см. рис.11, 12).

       Излучение ЛВР может выводиться как через верхнее зеркало, так и через нижнее зеркало и подложку, а также и через оба зеркала (см.рис.1, 7, 18). Направление для вывода излучения определяется соотношением коэффициентов отражения нижнего и верхнего зеркал. Следует отметить, что к брэгговским зеркалам в ЛВР предъявляются  очень высокие требования. За счет того, что длина активной усиливающей области в ЛВР очень мала (в типичном случае это толщина нескольких квантовых ям, т.е. длина усиливающей области составляет в лучшем случае несколько десятков нм), усиление за один обход резонатора составляет всего лишь около 1%. Таким образом, для достижения генерации в резонаторе лазера требуется использовать высокоэффективные зеркала с коэффициентами отражения не ниже 0.99. Типичные значения коэффициентов отражения для выходных зеркал ЛВР лежат в интервале 0.99 ¸ 0.995, коэффициенты отражения плотных зеркал ЛВР стремятся приблизить к значениям 0.999.  Столь высокие коэффициенты отражения брэгговских зеркал достигаются путем использования большого числа пар четвертьволновых слоев, если речь идет о полупроводниковых брэгговских зеркалах. Так например, при использовании чередующихся четвертьволновых слоев GaAs и AlAs, требуется около 20 пар этих слоев для достижения коэффициента отражения 0.999. В коммерческих ЛВР структурах в силу ряда технологических требований не используются бинарные соединения GaAs и AlAs. Вместо них используются твердые растворы, например Al_0.15Ga_0.85As и Al_0.92Ga_0.08As, что снижает контраст показателей преломления и заметно уменьшает коэффициент отражения зеркал. Кроме того, в лазерных структурах для снижения омического сопротивления используются градиентные слои твердых растворов на границах слоев, что также снижает коэффициент отражения брэгговского зеркала. Наконец, легирование полупроводниковых брэгговских зеркал тоже приводит к заметному снижению их коэффициента отражения за счет поглощения света на свободных носителях заряда. В итоге, для достижения необходимых значений коэффициентов отражения в брэгговских зеркалах ЛВР требуется использовать большее число пар слоев с чередующимися показателями преломления. Типичным для коммерческих ЛВР является использование 25 пар слоев в выходном зеркале и 35 пар в плотном зеркале. Спектр отражения выходного зеркала, содержащего 25 пар слоев, представлен на рис.2.  Максимальное значение коэффициента отражения превышает уровень 0.99 на рабочей длине волны лазера 850нм. Горизонтальной стрелкой на рисунке отмечен участок спектра с высоким коэффициентом отражения (>0.9), ширина этого участка для полупроводниковых брэгговских зеркал составляет ~100нм. На рис.3 представлен спектр отражения полной лазерной структуры, которая используется для создания коммерческих ЛВР. На длине волны 850нм спектр содержит резонанс Фабри-Перо, положение которого определяет рабочую длину волны лазера.

       На рис. 4 представлен профиль показателя преломления n(z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны  E²(z) в лазерном резонаторе. Горизонтальным отрезком на рисунке отмечена эффективная длина резонатора L_eff , которая составляет ~1мкм. Расстояние между выходным зеркалом (25 пар слоев) и плотным зеркалом (37 пар слоев) в коммерческой лазерной структуре равно l, что составляет ~0.25мкм. На рис.5 также представлен профиль показателя преломления n(z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны  E²(z) в большем масштабе для центральной части лазерного резонатора. Активная область коммерческого лазера содержит три GaAs квантовые ямы шириной 8нм. Для достижения максимального коэффициента оптического ограничения  квантовые ямы располагаются вблизи  максимумов амплитуды стоячей волны  (рис.5).