[go: up one dir, main page]

RU2197772C1 - Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом - Google Patents

Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом Download PDF

Info

Publication number
RU2197772C1
RU2197772C1 RU2001114820/28A RU2001114820A RU2197772C1 RU 2197772 C1 RU2197772 C1 RU 2197772C1 RU 2001114820/28 A RU2001114820/28 A RU 2001114820/28A RU 2001114820 A RU2001114820 A RU 2001114820A RU 2197772 C1 RU2197772 C1 RU 2197772C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mirror
waveguide
grating
semiconductor laser
active element
Prior art date
Application number
RU2001114820/28A
Other languages
English (en)
Inventor
В.А. Сычугов
Original Assignee
Сычугов Владимир Александрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сычугов Владимир Александрович filed Critical Сычугов Владимир Александрович
Priority to RU2001114820/28A priority Critical patent/RU2197772C1/ru
Priority to PCT/IB2002/001894 priority patent/WO2002101895A2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2197772C1 publication Critical patent/RU2197772C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4068—Edge-emitting structures with lateral coupling by axially offset or by merging waveguides, e.g. Y-couplers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H01S5/143—Littman-Metcalf configuration, e.g. laser - grating - mirror
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2036—Broad area lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4062—Edge-emitting structures with an external cavity or using internal filters, e.g. Talbot filters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам диодной накачки, к медицинским лазерам, а также к лазерным системам, используемым в информатике, оргтехнике и индустрии развлечений. Полупроводниковый лазер содержит высокоотражающее зеркало, активный элемент, снабженный периодически секционированным электродом, коллимирующую линзу и волноводно-решеточное зеркало, установленное под углом θ к оси активного элемента. Высокоотражающее зеркало выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на торец активного элемента. Волноводно-решеточное зеркало выполнено либо в виде пленочного волновода, нанесенного на гофрированную подложку, либо в виде гофрированного волноводного слоя, нанесенного на плоскую подложку, либо в виде слоя диэлектрика с периодической модуляцией показателя преломления, нанесенного на плоскую диэлектрическую подложку. Различные модификации полупроводниковых лазеров содержат активный элемент в виде линейки диодных лазеров, либо в виде набора лазерных диодов или линеек лазерных диодов, расположенных одна под другой, но так, что торцы всех лазерных диодов лежат в одной плоскости. В качестве элементов оптической связи между отдельными лазерными диодами выступает частично отражающее зеркало, либо секционированное волноводно-решеточное зеркало, либо и то, и другое вместе. Технический результат: повышение яркости излучения полупроводникового лазера с широкой активной областью и уменьшение спектральной ширины линии излучения его. 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам диодной накачки, к медицинским лазерам, а также к лазерным системам, используемым в информатике, оргтехнике и индустрии развлечений.
Известен полупроводниковый лазер с широкой активной областью, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси первое выходное зеркало, активный элемент и второе зеркало с цилиндрической высокоотражающей поверхностью, установленное так, что образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости р-n-перехода активного элемента, при этом выходное зеркало выполнено в виде диэлектрического покрытия на выходном торце активного элемента [В.В.Безотосный, В.П.Коняев, Н.В.Маркова, Г. Г.Харисов "Сужение диаграммы направленности мощных инжекционных лазеров с широким полосковым контактом с помощью внешнего микроселектора". Квантовая электроника, 1994, т. 21, 1, c. 57].
Недостатком этого полупроводникового лазера является то, что диаграмма направленности этого лазера наряду с основным лепеском содержит 2-3 дополнительных лепеска, и кроме этого суммарная выходная мощность полупроводникового лазера не превышает 0,3 Вт в импульсно-периодическом режиме. Отсутствие оптического элемента, согласующего апертуры активного элемента и цилиндрического зеркала, также существенно понижает ватт-амперные характеристики этого лазера.
Наиболее близким к заявляемому является известный полупроводниковый лазер, с широкой активной областью, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси первое высокоотражающее зеркало, активный элемент, сферическую линзу и селектирующий элемент, выполненный в виде цилиндрической линзы и отражающего плоского зеркала, причем образующая цилиндрической поверхности линзы перпендикулярна р-n-переходу активного элемента. В этом лазере первое зеркало выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия на входном торце активного элемента, апертура второго торца активного элемента оптически согласована с апертурой селектирующего отражающего элемента с помощью сферической линзы [М.В.Snipes, J.G.McInerney "Transverse mode filtering of wide stripe semiconductor lasers using an external cavity", SPIE, v. 1634, p. 532, 1992]. Использование селектирующего элемента в данном лазере порождает сильную дикриминацию поперечных мод в резонаторе по усилению и обеспечивает узкую диаграмму направленности излучения лазера путем сохранения основной моды резонатора.
Недостатком ближайшего аналога является сложность настройки селектирующего элемента лазера, большая длина резонатора (L=85 мм), а также низкая выходная мощность его (Rвых=0,3 W в непрерывном режиме). Полупроводниковый лазер с узкой диаграммой направленности работает при условии вполне определенного расположения цилиндрической линзы и плоского зеркала, составляющих селектор мод, относительно друг друга и относительно коллимирующей сферической линзы, в фокусе которой помещен торец активного элемента. Даже небольшое смещение элементов селектора относительно оптимальных положений искажает диаграмму направленности и понижает яркость выходного лазерного излучения.
С помощью предлагаемого изобретения решается техническая задача повышения яркости излучения полупроводникового лазера с широкой активной областью и уменьшения спектральной ширины линии излучения его.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном полупроводниковом лазере с широкой активной областью, содержащем последовательно установленные вдоль оптической оси первое высокоотражающее зеркало, активный элемент, коллимирующую линзу и оптически связанный с ними селектор мод, причем первое высокоотражающее зеркало резонатора выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия на входном торце активного элемента, а второй торец его просветлен (R<0,5%) и установлен в фокусе коллимирующей линзы, в качестве селектора мод введено плоское волноводно-решеточное зеркало, отражающее свет (R≥50%) по нормали в узком спектральном диапазоне (Δλ<20 нм), причем ось этого зеркала, т. е. нормаль к его поверхности, расположена в плоскости р-n-перехода активного элемента и установлена под углом θ, лежащим в диапазоне от 1 до 6o (1o≤θ≤6o), к оси активного элемента, а широкий полосковый контакт на поверхности активного элемента, ближайшей к активному слою лазерного диода, периодически секционирован, причем период секционирования Λk равен Λk = λ/2sinθ и направление отдельных полосков контакта совпадает с направлением оси активного элемента.
В частности, волноводно-решеточное зеркало может быть выполнено в виде одного гофрированного слоя диэлектрика, лежащего на подложке, показатель преломления ns которой меньше, чем показатель преломления nf диэлектрического слоя, а период гофрировки Λ равен: Λ = λ/n*, где n - эффективный показатель преломления волновода, определяемый из дисперсионного соотношения:
Figure 00000002

где k = 2π/λ, h - толщина диэлектрического слоя, λ - длина волны генерируемого света и m - номер моды (целое положительное число), а величина γ= 0, если штрихи решетки параллельны плоскости р-n-перехода, и γ=2, если штрихи решетки перпендикулярны плоскости р-n-перехода.
В частности, волноводно-решеточное зеркало может быть выполнено в виде одного слоя диэлектрика, лежащего на гофрированной подложке с ns<nf и Λ = λ/n*.
В частности, волноводно-решеточное зеркало может быть выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия, лежащего на гофрированной подложке.
В частности, волноводно-решеточное зеркало может быть выполнено в виде диэлектрического слоя, лежащего на плоской подложке с ns<nf, а решетка с Λ = λ/n* сформирована внутри диэлектрического слоя путем периодической модуляции показателя преломления этого диэлектрического слоя.
В частности, волноводно-решеточное зеркало может быть выполнено в виде решетки, автоколлимационно отражающей свет, причем решетка должна быть установлена так, что штрихи ее ориентированы параллельно плоскости р-n-перехода активного элемента лазера и проекции штрихов решетки на эту плоскость составляют с осью активного элемента угол (π/2-θ).
В частности, волноводно-решеточное зеркало лазера, автоколлимационно отражающее свет, может быть выполнено в виде металло-диэлектрической решетки, в виде многослойного диэлектрического зеркала, лежащего на гофрированной подложке, период гофра которой равен
Figure 00000003
где φ - угол падения света на решетку, а также может быть выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, лежащего на плоской подложке, причем на поверхности диэлектрического зеркала нанесен гофрированный волноводный слой с периодом гофра, равным
Figure 00000004
, где угол ψ определяется из условия n * l = sinψ, где nl* - эффективный показатель преломления моды утечки волноводного слоя.
В частности, полупроводниковый лазер с волноводно-решеточным зеркалом может дополнительно содержать насыщающийся поглотитель, расположенный между высокоотражающим зеркалом на торце активного элемента и волноводно-решеточным зеркалом.
В частности, полупроводниковый лазер с волноводно-решеточным зеркалом, установленным под углом θ к оси активного элемента, дополнительно может содержать второе внешнее зеркало, установленное под углом -θ к оси активного элемента, т. е. зеркало, установленное под углом θ, но по другую сторону от оси активного элемента лазера, причем оси волноводно-решеточного зеркала и дополнительного внешнего зеркала расположены в плоскости р-n-перехода активного элемента и угол θ лежит в диапазоне 1o≤θ≤6o.
В частности, полупроводниковый лазер с внешними зеркалами дополнительно может содержать нелинейный элемент, установленный между коллимирующей линзой и внешним зеркалом. Причем второе внешнее зеркало может быть сферическим, а лазер дополнительно может содержать сферическую линзу, установленную так, что ее фокус совпадает с центром кривизны сферического зеркала, при этом нелинейный элемент установлен в каустике образованной телескопической системы.
В частности, нелинейный элемент может быть выполнен в виде нелинейного волновода, при этом торцы этого волновода должны быть совмещены с фокусами сферической линзы и дополнительного сферического зеркала.
В частности, активный элемент полупроводникового лазера с волноводно-решеточным зеркалом может быть выполнен в виде линейки лазерных диодов, оптически согласованных с этим зеркалом с помощью одной цилиндрической линзы.
В частности, в резонатор полупроводникового лазера с линейкой диодных лазеров между коллимирующей линзой и волноводно-решеточным зеркалом может быть установлено перпендикулярно оси активного элемента дополнительное частично отражающее плоское зеркало, причем расстояние L от коллимирующей линзы до этого зеркала выбирается равным
Figure 00000005

где W - ширина активной области отдельного диодного лазера, d - расстояние между соседними диодными лазерами в линейке, f - фокусное расстояние коллимирующей линзы, D - толщина этой линзы и n - показатель преломления ее.
В частности, дополнительное частично отражающее плоское зеркало и волноводно-решеточное зеркало в лазере могут быть изготовлены на одной клинообразной подложке, причем угол ξ клина в этой подложке равен θ/ne = ξ, где ne - показатель преломления клинообразной подложки.
В частности, полупроводниковый лазер может содержать активный элемент в виде набора эквидистантно расположенных один под другим лазерных диодов, оптически связанных с одним секционированным волноводно-решеточным зеркалом, при этом торцы всех лазерных диодов параллельны между собой, период секционирования волноводно-решеточного зеркала равен расстоянию между плоскостями р-n-переходов диодных лазеров, а размер индивидуального зеркала в секции равен соответствующему этой секции размеру индивидуального лазерного пучка.
В частности, активный элемент полупроводникового лазера может представлять собой набор эквидистантно расположенных одна под другой линеек лазерных диодов, причем все лазерные диоды в одной линейке оптически связаны с одной секцией волноводно-решеточного зеркала посредством одной коллимирующей линзы.
В частности, полупроводниковый лазер с набором линеек диодных лазеров может дополнительно содержать частично отражающее плоское зеркало, установленное перпендикулярно оси активного элемента между коллимирующими линзами и периодически секционированным волноводно-решеточным зеркалом на расстоянии
Figure 00000006
от коллимирующей линзы.
В частности, дополнительное частично отражающее зеркало и волноводно-решеточное зеркало могут быть изготовлены на одной подложке.
В частности, дополнительное частично отражающее зеркало может быть выполнено в виде секционированного волноводно-решеточного зеркала, установленного между коллимирующей линзой и волноводно-решеточным зеркалом параллельно этому волноводно-решеточному зеркалу.
Суть изобретения состоит в том, что в полупроводниковом лазере с внешним зеркалом, установленным под углом θ к оси лазера, обратная связь возникает в результате Брегговского отражения света на периодическом изменении показателя преломления (решетке Δn), формирующемся в активном слое лазера под периодически секционированным контактом при протекании тока через лазер. Вследствие частичного отражения света на Брегговской решетке, период которой Λk = λ/2sinθ, лазерное излучение падает на высокоотражающее зеркало, нанесенное непосредственно на торец активного элемента, под углом θ/n и -θ/n, под этими же углами оно и отражается от этого зеркала. В области перекрытия падающего и отраженного пучка возникает интерференционная модуляция интенсивности оптического поля, которое в свою очередь формирует в объеме активной среды периодическую модуляцию показателя преломления внутри этого объема. Период этой решетки
Figure 00000007

а штрихи ее параллельны плоскости зеркала на торце активного элемента. Периодическое изменение показателя преломления активной среды вдоль оси активной области играет роль дополнительного селектора мод, выделяющего одну продольную моду в излучении полупроводникового лазера. Первоначальным спектральным селектором излучения является волноводно-решеточное зеркало, оно необходимо для ограничения диапазона периодов, возникающих в начале работы лазера решеток. Такую же роль выполняет Брегговская решетка под секционированным контактом (электродом) лазера. Последующая работа лазера сопровождается выделением (выживанием) решетки только одного периода, обеспечивающего максимальное усиление генерируемой моде. Периодическое изменение показателя преломления внутри активной среды обеспечивает селекцию продольных мод, пространственную когерентность излучения лазера по всему поперечному сечению активной области, а также вывод излучения из резонатора полупроводникового лазера, который происходит под углом -θ к оси активного элемента. Поскольку период секционирования контакта (электрода) равен
Figure 00000008
а штрихи этой электродной решетки направлены вдоль оси лазера, то установка внешнего волноводно-решеточного зеркала под углом θ к оси полупроводникового лазера обеспечивает условия взаимосогласованного возникновения и роста упомянутой выше селектирующей решетки (Λc) показателя преломления.
На фиг.1 представлена схема заявляемого полупроводникового лазера. Полупроводниковый лазер содержит первое высокоотражающее зеркало 1, активный элемент 2, снабженный секционированным контактом (электродом) 3, просветляющее покрытие 4 на выходном торце активного элемента, коллимирующую цилиндрическую линзу 5, установленную так, что образующая цилиндра параллельна плоскости р-n-перехода полупроводникового лазерного диода, а фокус линзы совпадает с положением второго торца активного элемента, и волноводно-решеточное зеркало 6, нормаль которого лежит в плоскости р-n-перехода активного элемента и установлена под углом θ к оси активного элемента.
На фиг. 2 представлена схема полупроводникового лазера с двумя внешними зеркалами и дополнительными элементами, расширяющими его функциональные возможности. В частности, между коллимирующей линзой 5 и волноводно-решеточным зеркалом 6 введен насыщающийся поглотитель 7, на пути выходного пучка помещено второе внешнее зеркало 8, отражающее выходной пучок назад, а между этим зеркалом и коллимирующей линзой введен нелинейный элемент 9, который в случае использования сферического отражающего зеркала 8 и сферической линзы 10 помещен в каустику телескопического элемента, образованного двумя этими элементами 8 и 10.
На фиг. 3 представлена схема полупроводникового лазера с дополнительным частично отражающим свет зеркалом 11, которое размещено между коллимирующей линзой 5 и волноводно-решеточным зеркалом 6. Частично отражающее зеркало 6 установлено по нормали к оси активного элемента и оптически связывает все диодные лазеры линейки между собой.
На фиг. 4 представлена схема полупроводникового лазера с активным элементом 2 в виде набора диодных лазеров, эквидистантно расположенных один под другим и оптически связанных с секционированным зеркалом 6 посредством коллимирующих линз 5, число которых равно числу диодных лазеров в наборе и числу гофрированных секций 12 в секционированном волноводно-решеточном зеркале 6. Все диодные лазеры в наборе оптически связаны между собой посредством волноводного зеркала 6.
На фиг. 5 представлена схема полупроводникового лазера с активным элементом 2 в виде набора линеек диодных лазеров, секционированным волноводно-решеточным зеркалом 6 и частично отражающим зеркалом. Все диодные лазеры в активном элементе 2 оптически связаны между собой через секционированное волноводно-решеточное зеркало 6 и частично отражающее зеркало 11.
На фиг. 6 представлена схема полупроводникового лазера с активным элементом 2 в виде набора линеек диодных лазеров, в резонатор которого введено дополнительное частично отражающее волноводно-решеточное зеркало 14. Все диодные лазеры в активном элементе 2 оптически связаны между собой через секционированные волноводно-решеточные зеркала 6 и 14.
Заявляемый полупроводниковый лазер работает следующим образом. Спонтанное излучение активной области лазера попадает на волноводно-решеточное зеркало 6, отражается этим зеркалом назад, собирается коллимирующей линзой 5 на торце активного элемента и попадает в активную область лазерного диода 2, где оно на пути к зеркалу 1 усиливается. После отражения усиленного излучения на зеркале 1 оно снова проходит активную среду, усиливается и, пройдя коллимирующую линзу 5, покидает резонатор лазера. При этом часть излучения в результате Брегговского отражения на решетке показателя преломления, сформированной инжекцией носителей тока под секционированным контактом (электродом), возвращается в резонатор, обеспечивая таким образом обратную связь в нем и способствуя возникновению и росту решетки показателя преломления, формирующейся в области перекрытия падающего на зеркало 1 и отраженного пучков света внутри активной области 2. Возникшее распределенное зеркало простирается вдоль оси активного элемента и отражает падающее излучение в том же направлении, что и зеркало 1. Распределенное вдоль оси отражение света селектирует его по длине волны, обеспечивая максимум усиления только для одной продольной моды. В силу того, что свет в активной среде 2 распространяется не только вдоль оси активной области 2, но и поперек нее, периодические изменения показателя преломления вдоль оси активного элемента синхронизируются по фазе, определяя узкую, близкую к дифракционному пределу диаграмму направленности выходного лазерного излучения.
Когда активным элементом 2 полупроводникового лазера является линейка диодных лазеров и внутрь резонатора его помещено дополнительное плоское частично отражающее зеркало 11, как показано на фиг. 3а, то при установлении его отражающей поверхности в плоскости пересечения сколлимированных пучков света от соседних лазерных диодов, т.е. на расстоянии
Figure 00000009

от коллимирующей линзы, между отдельными лазерными диодами возникает оптическая связь, при которой часть излучения от одного диода попадает в два соседних (справа и слева) лазерных диода в линейке. Такая оптическая связь приводит к синхронизации работы отдельных лазерных диодов в линейке и к увеличению пространственной когерентности суммарного излучения на выходе полупроводникового лазера.
На фиг. 3б представлен другой вариант оптической связи между диодными лазерами в линейке. При работе лазера эта связь достигается с помощью секционированного волноводно-решеточного зеркала 6. Участки гофрированного волновода 12 разделены плоскими участками 13 волновода. При работе лазера на участках 12 зеркала 6 возбуждается волноводная мода, которая создает отраженную назад волну и частично попадает в плоский участок волновода 13 зеркала 6. Волноводная мода распространяется по участку 13 в направлении к двум соседним гофрированным участкам 12, где она излучается по нормали к зеркалу 6 и попадает в соседние лазерные диоды через коллимирующую линзу 5. Таким образом, при работе лазера реализуется оптическая связь между всеми лазерными диодами в линейке 2. Эта связь приводит к синхронизации работы отдельных лазеров в линейке и к увеличению пространственной когерентности излучения лазера.
На фиг. 4 показана схема полупроводникового лазера с активным элементом в виде набора 2 лазерных диодов. Лазерные диоды оптически связаны с секционированным волноводно-решеточным зеркалом 6 набором коллимирующих линз 5. Каждому сколлимированному пучку света соответствует своя отдельная секция 12 гофрированного волновода внешнего секционированного волноводно-решеточного зеркала 6. Участки гофрированного волновода 12 разделены участками плоского (негофрированного) волновода 13, на этих участках излучение света из волновода отсутствует. При работе лазера на гофрированном участке 12 волноводного зеркала 6 возбуждается волноводная мода, которая создает отражающую волну и частично попадает в плоский (негофрированный) участок волновода 13 на зеркале 6. Волноводная мода распространяется по участку 13 в направлении к двум соседним гофрированным участкам 12, где она излучается по нормали к зеркалу 6 и попадает в соседние лазерные диоды через коллимирующие линзы 5. Таким образом, при работе лазера реализуется оптическая связь между всеми лазерными диодами в наборе 2. Эта связь приводит к синхронизации работы отдельных лазерных диодов в наборе 2 и к увеличению пространственной когерентности суммарного излучения на выходе полупроводникового лазера.
На фиг. 5 показана схема полупроводникового лазера с активным элементом 2 в виде набора линеек лазерных диодов, расположенных одна под другой, оптически связанных с секционированным волноводно-решеточным зеркалом 6 набором коллимирующих линз 5. Внутрь резонатора между этими линзами 5 и зеркалом 6 помещено частично отражающее зеркало 11. Зеркало 11 установлено по нормали к оси активного элемента 2 на расстоянии
Figure 00000010
от коллимирующих линз 5. Зеркало 11 и зеркало 6 обеспечивают оптическую связь между отдельными лазерными диодами в наборе лазерных диодов. Эта связь приводит к синхронизации работы всех лазерных диодов в линейках и в наборе 2 в целом и к увеличению пространственной когерентности суммарного излучения на выходе полупроводникового лазера.
На фиг. 6 представлен другой вариант оптической связи между диодными лазерами в наборе 2 линеек диодных лазеров. При работе лазера эта связь достигается с помощью секционированных зеркал 6 и 14. Зеркала секционированы по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Когда свет падает на зеркало 14 и зеркало 6, то часть света из одной гофрированной секции зеркала попадает в другую через плоский участок волновода и излучается по нормали к зеркалу, попадая в соседние лазерные диоды. Таким образом, при работе лазера реализуется связь между всеми диодными лазерами в наборе 2 и синхронизуется их работа, что увеличивает пространственную когерентность лазера.
В микролазере, выполненном согласно изобретению, в качестве активного элемента 2 использован лазерный диод InGaAs/InGaP/GaAs с квантовой ямой внутри волноводного слоя. Диоды имели длину 1=0,5 мм, ширину активной области W=360 мкм и период секционирования полоскового контакта Λk = 10 мкм. На одном торце диода напылялось просветляющее покрытие (R≈0,5%), а на другой торец - отражающее зеркало 1 (R≈95%). Максимум полосы люминесценции диода был локализован вблизи λ ≅ 997 нм. В качестве коллимирующей линзы 5 было использовано оптическое волокно диаметром ⌀=420 мкм, на две противоположные стороны которого наносились просветляющие покрытия (R≤1%). Волноводно-решеточное зеркало 6 представляло собой однослойный волновод (пленка Та2О5, nf= 2,02) на гофрированной стеклянной подложке (ns=1,512). Это зеркало имело следующие параметры: Λ=643 нм, глубина гофра 2σ=200 нм, толщина слоя Ta2О5 h= 220 нм, коэффициент отражения зеркала на длине волны λ=997 нм составлял Rm= 98%, ширина линии отражения Δλ ≅ 10 нм. Волноводно-решеточное зеркало крепилось на котировочном столике, допускавшем поворот его вокруг оси, перпендикулярной к плоскости р-n-перехода лазерного диода. В режиме максимальной яркости излучения угол поворота θ зеркала составлял 3o. При этих условиях было получено на выходе полупроводникового лазера 1,2 Вт выходной мощности с углом расходимости в плоскости р-n-перехода Δθ = 0,3° и шириной линии генерации Δλген = 0,1 нм.

Claims (22)

1. Полупроводниковый лазер с широкой активной областью, содержащий последовательно установленные вдоль оптической оси высокоотражающее зеркало, активный элемент, коллимирующую линзу и оптически связанный с ними селектор мод, работающий в режиме отражения, причем высокоотражающее зеркало резонатора выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия на одном торце активного элемента, а другой торец его просветлен и установлен в фокусе коллимирующей линзы, отличающийся тем, что селектор мод выполнен в виде волноводно-решеточного зеркала, отражающего свет по нормали в узком спектральном диапазоне (Δλ≤20 нм), причем ось этого зеркала расположена в плоскости р-n-перехода активного элемента и установлена под углом θ, лежащим в диапазоне 1o≤θ≤6o к оси активного элемента, а широкий контакт на поверхности активного элемента, ближайшей к активному слою диодного лазера, периодически секционирован, причем период секционирования Λк равен
Figure 00000011

и направление отдельных полосков секционированного контакта совпадает с направлением оси активной области диодного лазера.
2. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде одного гофрированного слоя диэлектрика, лежащего на плоской подложке, показатель преломления nS которой меньше, чем показатель преломления nf диэлектрического слоя, а период Λ гофрировки равен
Λ = λ/n*, где n* - эффективный показатель преломления волновода, определяемый из дисперсионного соотношения
Figure 00000012

где
Figure 00000013

h - толщина диэлектрического слоя;
λ - длина волны генерируемого света;
m - номер моды (целое положительное число);
величина γ= 0, если штрихи решетки параллельны плоскости р-n-перехода, и γ= 2, если штрихи решетки перпендикулярны плоскости р-n-перехода активного элемента.
3. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде одного слоя диэлектрика, лежащего на гофрированной подложке с nS<nf и Λ = λ/n*.
4. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия, лежащего на гофрированной подложке.
5. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде диэлектрического слоя, лежащего на плоской подложке с nS<nf, а решетка с Λ = λ/n* сформирована внутри диэлектрического слоя путем периодической модуляции показателя преломления этого диэлектрического слоя.
6. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде решетки автоколлимационно отражающей свет, причем решетка установлена так, что штрихи ее ориентированы параллельно плоскости р-n-перехода активного элемента и проекции штрихов решетки на эту плоскость составляют с осью активного элемента угол
Figure 00000014
.
7. Полупроводниковый лазер по п. 6, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде металлодиэлектрической решетки автоколлимационно отражающей падающий на нее свет.
8. Полупроводниковый лазер по п. 6, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, лежащего на гофрированной подложке, период гофра которой равен
Figure 00000015

где φ - угол падения света на решетку.
9. Полупроводниковый лазер по п. 6, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, лежащего на плоской подложке, причем на поверхности диэлектрического зеркала нанесен гофрированный волноводный слой.
10. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит насыщающийся поглотитель, расположенный между высокоотражающим зеркалом на торце активного элемента и волноводно-решеточным зеркалом.
11. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит внешнее зеркало, установленное под углом -θ к оси активного элемента, т. е. зеркало, установленное под углом θ, но по другую сторону от оси активного элемента лазера, причем оси волноводно-решеточного зеркала и дополнительного внешнего зеркала лежат в плоскости р-n-перехода активного элемента.
12. Полупроводниковый лазер по п. 11, отличающийся тем, что дополнительно содержит сферическую линзу, установленную между коллимирующей линзой и внешним зеркалом, причем внешнее зеркало выполнено вогнутым и установлено так, что центр кривизны его и фокус линзы совпадают.
13. Полупроводниковый лазер по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно содержит нелинейный элемент, установленный в каустике телескопической системы, образованной сферической линзой и вогнутым зеркалом.
14. Полупроводниковый лазер по п. 13, отличающийся тем, что нелинейный элемент лазера выполнен в виде нелинейного волновода, причем торцы этого волновода расположены в фокусах сферической линзы и вогнутого второго внешнего зеркала.
15. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент лазера выполнен в виде линейки лазерных диодов, оптически согласованных с волноводно-решеточным зеркалом с помощью одной цилиндрической коллимирующей линзы.
16. Полупроводниковый лазер по п. 15, отличающийся тем, что в резонаторе лазера между коллимирующей линзой и волноводно-решеточным зеркалом установлено перпендикулярно оси активного элемента дополнительное частично отражающее плоское зеркало, причем расстояние L от коллимирующей линзы до этого зеркала равно
Figure 00000016

где W - ширина активной области диодного лазера;
d - расстояние между соседними диодными лазерами в линейке;
f - фокусное расстояние цилиндрической линзы;
D - толщина этой линзы и n - показатель ее преломления.
17. Полупроводниковый лазер по п. 15, отличающийся тем, что волноводно-решеточное зеркало сделано секционированным, причем направление секционирования совпадает с направлением вектора решетки этого зеркала, а период секционирования совпадает с периодом размещения лазерных диодов в линейке.
18. Полупроводниковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент лазера представляет собой набор эквидистантно расположенных один под другим лазерных диодов, оптически связанных с одним секционированным волноводно-решеточным зеркалом посредством индивидуальных коллимирующих линз, причем торцы всех лазерных диодов параллельны между собой, период секционирования волноводно-решеточного зеркала равен расстоянию между плоскостями р-n-переходов диодных лазеров, а размер индивидуального зеркала в секции равен соответствующему этой секции размеру индивидуального лазерного пучка света.
19. Полупроводниковый лазер по п. 18, отличающийся тем, что активный элемент лазера представляет собой набор эквидистантно расположенных одна под другой линеек лазерных диодов, причем все лазерные диоды в одной линейке оптически связаны с одной секцией волноводно-решеточного зеркала посредством одной коллимирующей линзы.
20. Полупроводниковый лазер по п. 19, отличающийся тем, что в резонаторе лазера между коллимирующими линзами и секционированным волноводно-решеточным зеркалом установлено перпендикулярно оси активного элемента дополнительное частично отражающее плоское зеркало, причем положение этого зеркала определено согласно п. 16.
21. Полупроводниковый лазер по п. 20, отличающийся тем, что дополнительное частично отражающее плоское зеркало и волноводно-решеточное зеркало выполнены на одной клинообразной подложке, причем угол ξ клина равен ξ = θ/ne, где ne - показатель преломления клинообразной подложки.
22. Полупроводниковый лазер по п. 19, отличающийся тем, что в резонаторе лазера между коллимирующими линзами и волноводно-решеточным зеркалом установлено параллельно этому зеркалу дополнительное секционированное волноводно-решеточное зеркало, частично отражающее свет по нормали, причем период секционирования этого зеркала совпадает с периодом размещения лазерных диодов в линейке, а размер гофрированного участка в секции зеркала равен ширине активной области диодного лазера.
23. Полупроводниковый лазер по п. 22, отличающийся тем, что дополнительное частично отражающее и волноводно-решеточное зеркало сделаны на одной подложке.
RU2001114820/28A 2001-06-04 2001-06-04 Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом RU2197772C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001114820/28A RU2197772C1 (ru) 2001-06-04 2001-06-04 Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом
PCT/IB2002/001894 WO2002101895A2 (en) 2001-06-04 2002-05-28 High power, high brightness wide area laser device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001114820/28A RU2197772C1 (ru) 2001-06-04 2001-06-04 Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2197772C1 true RU2197772C1 (ru) 2003-01-27

Family

ID=20250233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001114820/28A RU2197772C1 (ru) 2001-06-04 2001-06-04 Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2197772C1 (ru)
WO (1) WO2002101895A2 (ru)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060171440A1 (en) * 2003-03-14 2006-08-03 Pbc Lasers Ltd. Apparatus for generating improved laser beam
US7813407B2 (en) 2004-06-16 2010-10-12 Danmarks Tekniske Universitet Segmented diode laser system
ATE435509T1 (de) 2005-12-16 2009-07-15 Univ Danmarks Tekniske Lasersystem mit segmentiertem diodenlaser
TW201111834A (en) 2009-08-31 2011-04-01 Epicrystals Oy Stabilized light source
DE102010003227A1 (de) 2010-03-24 2011-09-29 Universität Stuttgart Institut für Strahlwerkzeuge Lasersystem
CN102324696B (zh) * 2011-09-15 2012-11-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器
WO2015124216A1 (en) * 2014-02-24 2015-08-27 Universität Stuttgart Institut für Strahlwerkzeuge Grating mirror
WO2018233799A1 (en) * 2017-06-21 2018-12-27 Universität Stuttgart Passive compensation of convection-induced misalignment in optical resonators

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442651A (en) * 1992-09-25 1995-08-15 Ando Electric Co., Ltd. External cavity control semiconductor laser
EP0924821A1 (en) * 1997-12-18 1999-06-23 Nec Corporation External mirror type wavelength tunable laser

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5337328A (en) * 1992-05-08 1994-08-09 Sdl, Inc. Semiconductor laser with broad-area intra-cavity angled grating
US5537432A (en) * 1993-01-07 1996-07-16 Sdl, Inc. Wavelength-stabilized, high power semiconductor laser
US6212216B1 (en) * 1996-12-17 2001-04-03 Ramadas M. R. Pillai External cavity micro laser apparatus
US6122299A (en) * 1997-12-31 2000-09-19 Sdl, Inc. Angled distributed reflector optical device with enhanced light confinement
US6219478B1 (en) * 1998-01-23 2001-04-17 Olivier M. Parriaux Light wave diffraction device
US6556611B1 (en) * 1999-05-10 2003-04-29 Princeton Lightwave, Inc. Wide stripe distributed bragg reflector lasers with improved angular and spectral characteristics

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442651A (en) * 1992-09-25 1995-08-15 Ando Electric Co., Ltd. External cavity control semiconductor laser
EP0924821A1 (en) * 1997-12-18 1999-06-23 Nec Corporation External mirror type wavelength tunable laser

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.B. Snipes, J.G.McInerney. Transverse mode filtering of wide stripe semiconductor lasers using an external cavity, SPIE, Laser Diode Technology and Applications IV. 1992, v.1634, p. 532. Труды ИОФАН, т. 34. - М.: Наука, 1991, с. 3-96, 147-190. Журнал "Квантовая электроника". 24, №5. - М.: Наука, 1997, с. 457-461. Журнал "Квантовая электроника". 26, №2. - М.: Наука, 1999, с.175-178. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002101895A3 (en) 2003-10-23
WO2002101895A2 (en) 2002-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6091755A (en) Optically amplifying semiconductor diodes with curved waveguides for external cavities
US5771252A (en) External cavity, continuously tunable wavelength source
US5337328A (en) Semiconductor laser with broad-area intra-cavity angled grating
US5050179A (en) External cavity semiconductor laser
EP0587154B1 (en) Narrow bandwidth laser array system
US5070509A (en) Surface emitting, low threshold (SELTH) laser diode
US5793784A (en) Apparatus and method for spectral narrowing of high power diode laser arrays
US5349602A (en) Broad-area MOPA device with leaky waveguide beam expander
US20080187019A1 (en) Volume Bragg grating laser mirror device
WO2009116971A1 (en) Method and apparatus for wavelength tuning laser diodes
US7106920B2 (en) Laser array for generating stable multi-wavelength laser outputs
US20050018740A1 (en) Spectral beam combination of broad-stripe laser diodes
US5048044A (en) Optically pumped lasers
US6967976B2 (en) Laser with reflective etalon tuning element
US7317739B2 (en) Mode-locked laser using a mode-locking wavelength selective reflector
EP1272878B1 (en) Multi-pass, arcuate bent waveguide, high power superluminescent diode
RU2197772C1 (ru) Полупроводниковый лазер с широким периодически секционированным полосковым контактом
US4573156A (en) Single mode laser emission
JP2005519476A (ja) 高出力ダイオードレーザーシステム
US7003010B2 (en) Multi-group multi-wavelength laser matrix
JP2003515938A (ja) ポンプレーザー用のモード選択性のフェーセット層
US6959023B1 (en) Laser with reflective etalon tuning element
US20170201067A1 (en) Method for improvement of the beam quality of the laser light generated by systems of coherently coupled semiconductor diode light sources
Poguntke et al. Design of a multistripe array grating integrated cavity (MAGIC) laser
RU2163048C1 (ru) Источник излучения на основе лазерных диодов

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040605