Оптоэлектронное устройство для высокоскоростной передачи данных, основанное на сдвиге края стоп-зоны распределенного брэгговского отражателя за счет электрооптического эффекта

Оптоэлектронное устройство для высокоскоростной передачи данных, основанное на сдвиге края стоп-зоны распределенного брэгговского отражателя за счет электрооптического эффекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылка на родственные заявки

Данная заявка испрашивает защиту для изобретения, которое было раскрыто в заявке на патент США на изобретение US 11/453,979, поданной 16 июня 2006, озаглавленной "ELECTROOPTICALLY BRAGG-REFLECTOR STOPBAND-TUNABLE OPTOELECTRONIC DEVICE FOR HIGH-SPEED DATA TRANSFER", и в предварительной заявке на патент США US 60/814,054, поданной 16 июня 2006, озаглавленной "RESONANT CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE WITH SUPPRESSED PARASITIC MODES".

Упоминаемые ниже заявки включены сюда в качестве ссылки.

Область изобретения

Изобретение относится к области полупроводниковых устройств. Более конкретно изобретение относится к области высокоскоростных оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды и лазерные диоды.

Описание уровня техники

Высокоскоростные оптоэлектронные устройства широко применяются в современных системах передачи данных и телекоммуникаций.

Эти устройства можно разделить на две категории: с прямым модулированием путем подачи тока в область усиления и с внешним модулированием. Преимуществом методов прямого модулирования является низкая стоимость.

Известное из уровня техники оптоэлектронное устройство, а именно лазер с торцевым излучением, схематически изображено на фиг.1(а). Активная область находится в области волновода, помещенной между двумя слоями с более низким коэффициентом преломления и обеспечивающей полное внутреннее отражение для волноводного распространения излучения. Такое устройство включает в себя подложку, буферный слой, нижний покровный слой для слоя волновода с внутренней активной средой, верхний покровный слой и металлические контакты.

Структура (100) лазера выращена эпитаксиальным способом на подложке n-типа (101). Далее, структура включает в себя покровный слой (102) n-типа, волновод (103), покровный слой (108) р-типа и слой (109) с р-контактом. Волновод (103) включает в себя слой (104) n-типа, ограничивающий слой (105) с активной областью (106) внутри ограничивающего слоя и слой (107) р-типа. n-Контакт (111) соприкасается с подложкой (101), а р-контакт (112) помещен на слое (109) р-контакта. Активная область (106) генерирует свет, когда к области прикладывается напряжение прямого смещения (113). Профиль оптической моды в вертикальном направлении z определяется профилем коэффициента преломления в направлении 2. Индекс преломления в волноводе (103) является предпочтительно большим, чем коэффициент преломления в покровном слое (102) n-типа и покровном слое (108) р-типа. Профиль коэффициента преломления предпочтительно обеспечивает одну оптическую моду, замкнутую внутри волновода (103). Свет в оптической моде претерпевает полное внутреннее отражение от границы между волноводом (103) и покровным слоем n-типа (102) и от границы между волноводом (103) и покровным слоем (108) р-типа. Таким образом, свет в оптической моде удерживается в волноводе (103) и распространяется вдоль волновода (103).

Волновод (103) в боковой плоскости ограничен передней гранью (116) и задней гранью (117). Распространяющийся в оптической моде локализованной волны свет может выходить через переднюю грань (116) и через заднюю грань (117). Если на заднюю грань (117) нанести специальное высокоотражающее покрытие, то излучение (115) лазера будет выходить только через переднюю грань (116).

Подложка (101) образована из любого полупроводникового материала из группы III-V или из сплава полупроводников группы III-V. Например, это GaAs, InP, GaSb, GaP или InP, которые обычно используются в зависимости от требуемой длины волны лазерного излучения. В другом варианте сапфир, SiC или [111]-Si используется в качестве подложки для лазеров на основе GaN, т.е. лазерные структуры, слои которых образованы из GaN, AlN, InN, или сплавов этих материалов. Подложка (101) легирована по n-типу или донорной примесью. Возможные донорные примеси включают в себя, но не ограничены ими, S, Se, Те и амфотерные примеси, такие как Si, Ge, Sn, при этом последние вводятся при таких технологических условиях, что они предварительно встраиваются в катионную подрешетку, чтобы служить в качестве донорных примесей.

Покровный слой (102) n-типа образуется из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью. В случае GaAs подложки (101), покровный слой n-типа предпочтительно сформирован сплавом GaAlAs.

Слой (104) n-типа волновода (103) получен из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного с подложкой (101), он является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью. В случае подложки из GaAs, слой (104) n-типа в составе волновода предпочтительно образован сплавом GaAs или GaAlAs с содержанием Al ниже, чем у покровного слоя (102) n-типа.

Слой (107) р-типа в составе волновода (103) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), и он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Предпочтительно слой (107) р-типа в составе волновода образован из того же материала, что и слой (104) n-типа, но легирован акцепторной примесью. Возможный вид акцепторной примеси включает в себя, но не ограничен ими, Be, Mg, Zn, Cd, Pb, Mn и амфотерные примеси типа Si, Ge, Sn, при этом последние вводятся при таких технологических условиях, что они предварительно встраиваются в анионную подрешетку, чтобы служить в качестве акцепторных примесей.

Покровный слой (108) р-типа состоит из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Предпочтительно покровный слой (108) р-типа образован из того же материала, что и покровный слой (102) n-типа, но легирован акцепторной примесью.

Покровный слой (109) р-типа состоит из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой, он является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью. Уровень легирования предпочтительно выше, чем для покровного слоя (108) р-типа. Предпочтительно металлические контакты (111) и (112) образованы из многослойных металлических структур. Металлические контакты (111) предпочтительно образованы из структур, которые включают в себя, но не ограничены ими, структуры Ni-Au-Ge. Предпочтительно металлические контакты (112) образованы из структур, которые включают в себя, но не ограничивая, структуры Ti-Pt-Au.

Ограничивающие слои (105) образованы из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой, он является прозрачным для сгенерированного света и либо нелегирован, либо слабо легирован. Ограничивающие слои предпочтительно образованы из того же материала, что и подложка (101).

Активная область (106) размещена внутри ограничивающего слоя (105) и предпочтительно образована любой вставкой с шириной энергетической запрещенной зоны, которая меньше, чем ширина энергетической запрещенной зоны нижнего покровного слоя (102), или слоя (104) n-типа волновода (103), ограничительного слоя (105) волновода (103), или слоя (107) р-типа волновода (103), а также верхнего покровного слоя (108). Возможные варианты активных областей (106) включают в себя, но не ограничены ими, одиночный слой или многослойную систему квантовых ям, квантовых точек или их комбинацию. В случае устройства на подложке из GaAs, примерами активной области (106) являются, но не ограничены ими, система вставок из InAs, In_i-xGa_xAs, In_xGa_1-x-y Al_yAs, In_xGa_1-xAs_1-yN_y или схожие материалы.

Лазер с торцевым излучением может применяться, в принципе, для передачи данных с прямой модуляцией.

Прямая модуляция света может быть реализована также в плоскостном лазере с вертикальным резонатором (VCSEL), также известным под названием полупроводниковый вертикально-излучающий лазер (ВИЛ). На фигуре 1(b) показан схематичный чертеж известного устройства VCSEL (ВИЛ). Активная область находится в зоне вертикально-ориентированного резонатора, ограниченная двумя многослойными интерференционными отражателями, обычно это распределенные брэгговские отражатели (РБО). Устройство включает в себя подложку, буферный слой, первый распределенный брэгговский отражатель, резонатор и второй распределенный брэгговский отражатель.

Известное из уровня техники устройство VCSEL (120) на фиг.1(b) имеет размещенную в резонаторе (123) активную область (126), которая заключена между нижним зеркалом (122) n-типа и верхним зеркалом (128) р-типа. Резонатор (123) включает в себя слой (125) n-типа, нелегированный активный элемент, включающий в себя активную область (126), и слой (127) р-типа. Предпочтительно апертуры (124) из окисла введены для того, чтобы определять путь распространения тока. Брэгговские отражатели, каждый из которых имеет периодическую последовательность из перемежающихся слоев низкого и высокого коэффициента преломления, используются в качестве нижнего зеркала (122) и верхнего зеркала (128). Резонатор (123) работает в качестве элемента для генерации светового излучения. Когда прикладывается прямое падение напряжения (113), внутри резонатора (123) активной областью (126) генерируется свет. Свет выходит (135) через оптическую апертуру (132). Длина волны лазерного излучения из VCSEL определена длиной резонатора (123).

Образующие нижнее зеркало (122) слои образованы из материалов, которые согласованы по параметру решетки или почти согласованы по параметру решетки с подложкой (101), являются прозрачными для генерированного света, легированы донорной примесью, а также имеют чередующиеся высокие и низкие коэффициенты преломления. Предпочтительно для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, зеркало (122) образовано перемежающимися слоями GaAs и GaAlAs или слоями GaAlAs с переменным содержанием алюминия.

Слой (125) n-типа резонатора (123) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован донорной примесью.

Слой (127) р-типа резонатора (123) образован из материала, согласованного по параметру решетки или почти согласованного по параметру решетки с подложкой (101), который является прозрачным для сгенерированного света и легирован акцепторной примесью.

Формирующие верхнее зеркало (128) слои образованы из материалов, согласованных по параметру решетки или почти согласованных по параметру решетки с подложкой (101), которые являются прозрачными для сгенерированного света и легированы акцепторной примесью, а также имеют чередующиеся высокие и низкие коэффициенты преломления. Для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, зеркало (128) образовано перемежающимися слоями GaAs и GaAlAs или слоями GaAlAs с переменным содержанием алюминия.

Слой р-контакта (129) образован из материала, легированного акцепторной примесью. Для устройства VCSEL, выращенного на подложке GaAs, предпочтительным материалом является GaAs. Предпочтительно уровень легирования выше, чем для верхнего зеркала (128). Слой (129) р-контакта и металлический (112) р-контакт вытравливаются с целью получения оптической апертуры (132).

Предпочтительно помещенная в резонатор (123) активная область (126) образована любой вставкой, ширина энергетической запрещенной зоны которой уже, чем ширина энергетической запрещенной зоны нижнего зеркала (122), а также уже, чем слоя (125) n-типа резонатора (123), слоя (127) р-типа резонатора (123) и верхнего зеркала (128). Возможные активные области (126) включают в себя, но не ограничены ими, однослойную или многослойную систему квантовых ям, квантовых проводов, квантовых точек, а также их комбинаций. В случае устройства на GaAs-подложке, примеры активной области (126) включают в себя, но ограничены ими, систему вставок InAs, In_1-xGa_xAs, In_xGa_1-x-yAl_yAs, In_xGa_1-xAs_1-yN_y или схожие материалы.

При приложении прямого смещения (113) активная область (126) генерирует оптическое усиление. Затем активная область (126) испускает световое излучение, которое переотражается между нижним зеркалом (122) и верхним зеркалом (128). Зеркала имеют высокий коэффициент отражения для света, распространяющегося в направлении, перпендикулярном плоскости р-n перехода, и коэффициент отражения для нижнего зеркала (122) выше, чем коэффициент отражения для верхнего зеркала (128). Таким образом, устройство VCSEL обеспечивает положительную обратную связь для света, который распространяется в вертикальном направлении, и в конце приводит к лазерной генерации. Излучение (135) лазера выходит через оптическую апертуру (132).

Можно отметить некоторые недостатки использования существующего VCSEL в качестве источника света для прямой модуляции. Первая проблема связана с большим количеством паразитических мод, которые существуют наряду с вертикальной оптической модой, необходимой для излучения света. Аналогично случаю с лазером с торцевым излучением, эти паразитные моды замедляют работу VCSEL.

Во-вторых, высокоскоростная модуляция лазера требует создания очень высокой плотности фотонов в полости резонатора. Внутренняя скорость определяется так называемой "-3dB" полосой, которая приблизительно пропорциональна частоте релаксационных колебаний:

где g_n означает дифференциальное усиление, ρ₀ - средняя плотность фотонов в резонаторе и τ_р - время жизни фотона в резонаторе.

Первым способом увеличения ширины полосы излучения лазера является увеличение плотности тока накачки, тем самым увеличение населенности фотонов в резонаторе, например, через уменьшение поверхностной площади устройства при том же самом токе. При импульсно-возбужденной релаксации при импульсном режиме, комнатной температуре и приложенном напряжении в 15 В была получена частота в 70 ГГц. Проблемой генерации с прямой модуляцией является перегрев активной области в режиме постоянной волны и связанное с этим насыщение частоты релаксационных колебаний. Другой сложностью для прямой модуляции является ухудшение стабильности устройства. При очень высокой плотности тока скорость ухудшения может быть неприемлемо высока.

Другой серьезной проблемой в прямой модуляции является большая дифференциальная емкость устройства под напряжением прямого смещения. Инжектированные носители уменьшают эффективную толщину нелегированного слоя в р-n-переходе и увеличивают емкость. Поэтому реализация ультраскоростного устройства VCSEL является затруднительной. Схожие проблемы возникают при прямой модуляции при использовании лазеров с торцевой эмиссией.

Еще одна возможность получения прямой модуляции света реализована в лазере с наклонным резонатором, который описан автором настоящего изобретения в патенте US 7,031,360 "TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR LASER (TCSL) AND METHOD OF MAKING SAME", поданном 12 февраля 2002, выданном 18 августа 2006, и патентной заявке США 10/943044 "TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME, поданной 16 сентября 2004. Оба включены здесь в качестве ссылки.

Показанный на фиг.2 лазер (200) с наклонным резонатором выращен с помощью эпитаксии на подложке (101) n-типа и включает в себя многослойный интерференционный отражатель (МИО) (202) n-типа, резонатор (203), верхний многослойный интерференционный отражатель (208) р-типа и слой (209) р-контакта. Резонатор (203) включает в себя слой (204) n-типа, ограничительный слой (205) и слой (207) р-типа. Ограничительный слой (205) включает в себя активную область (206). Лазерная структура (200) ограничена передней гранью (217) и задней гранью (216). Резонатор (203) и многослойные интерференционные отражатели (202) и (208) устроены так, что резонансные условия для резонатора и многослойных интерференционных отражателей выполняются только для наклонной оптической моды (220), свет распространяется под определенным углом наклона и имеет определенную длину волны. Если задняя грань (217) покрыта высокоотражающим покрытием, то лазерное излучение (215) выходит только через переднюю грань (216). Резонансные условия, которые определяют оптимальную наклонную моду (220), сформулированы ниже. Резонатор (203) имеет первое дисперсионное соотношение, которое определяет длину волны для наклонной оптической моды как функцию угла наклона. Каждый из двух МИО (нижний МИО (202) и верхний МИО (208)) имеет дисперсионное соотношение, которое определяет максимум полосы стоп-зоны (или «брэгговской полосы отражения») в области спектра отражения МИО для наклонного падения света как функции угла падения излучения. Дисперсионные соотношения в резонаторе (203), с одной стороны, и в МИО (202) и (208), с другой стороны, различны. Предпочтительно эти дисперсионные соотношения совпадают при одной длине волны и, следовательно, при одном угле. Именно при этой длине волны и при этом угле удерживаемая в резонаторе (203) оптическая мода будет сильно отражаться нижним МИО (202) и верхним МИО (208) и проявлять низкий уровень потерь. Эта длина волны является оптимальной. Для длин волн, отличных от оптимальной, дисперсионные соотношения уже не совпадают, и оптическая мода внутри резонатора (203) будет только слабо отражаться от по меньшей мере одного МИО (от нижнего МИО (202) или верхнего МИО (208)) или от обоих МИО. Тогда оптическая мода имеет высокий уровень потерь на подложку и/или контакты. В этом случае реализуется устройство со стабилизированной длиной волны, или лазер с наклонным резонатором, или светоизлучающий диод. Это устройство может быть излучающим с поверхности, излучающим с грани или предусматривает вариант с выводом излучения в ближней зоне.

При этом подходе минимум потерь происходит для только одной моды на только одной длине волны. Однако для этой длины волны не обеспечивается подавление паразитных мод. Устройство может иметь много паразитных мод, и только небольшая часть излучения попадает в желаемый интервал углов, если только не приняты особые конструктивные меры. В целом, лазер с наклонным резонатором может рассматриваться в качестве лазера с торцевой эмиссией с определенной длиной волны с контролируемыми с помощью настройки многослойного интерференционного отражателя селективными потерями. Таким образом, требуется обеспечить подавление для как можно большего количества паразитных мод (и связанной лучеиспускательной рекомбинацией).

Эффективный вес различных оптических мод и их роль в работе оптоэлектронного устройства связаны с диаграммой направленности излучения света для данного источника света. На фигуре 3 схематически показана полупроводниковая структура (300), включающая в себя плоскость (336) оптических осцилляторов, излучающих свет с определенной энергией фотона, которая соответствует определенной длине волны λ₀ в вакууме. Плоскость (336) размещена в резонаторе (330), который помещен между первым полупроводниковым материалом (310) и вторым полупроводниковым материалом (320). На практике, когда оба полупроводниковые материалы (310) и (320) являются одним материалом, который является оптически изотропным, что верно для GaAs и большинства других полупроводниковых материалов из III-V групп, излучение таких осцилляторов является изотропным и свет распространяется (345) во всех направлениях. Каким бы не было требуемое направление излучения света, однородная полупроводниковая среда поддерживает большое количество паразитных мод в световом излучении.

Чтобы уменьшить количество паразитных мод, требуется структурированная среда. Одним из существующих решений является нанесение шаблона на поверхность в виде 3-мерного шаблона, предотвращающего распространение света в широком диапазоне углов, выбирая только излучение с нужным углом и длиной волны. Такой подход использует оптические кристаллические структуры с боковой обработкой. Недостатком такого подхода является необходимость в травлении, что увеличивает стоимость, уменьшает теплопроводность и величину тока, протекающего через пластину-носитель. Для решения проблемы необходима всесторонняя эпитаксия.

На фигуре 4 показана диаграмма распределения излучения в изображенном на фиг.1(b) устройстве-прототипе. Кроме излучения в вертикальной оптической моде (135), свет может излучаться в различных наклонных оптических модах (455). Таким образом, существует много мод излучения для VCSEL и устройств с резонансной полостью, кроме полезной вертикальной или квазивертикальной моды.

На фигуре 5(а) показана схематичная диаграмма устройства-прототипа, схожего с устройством (120) на фиг.1(b) по отношению к трем группам излучения. Устройство (500) обрабатывается таким образом, что получается мезоструктура (520), как обычно получается для оптоэлектронных устройств с вертикальным резонатором. Излучение света состоит из трех групп оптических мод: изучение в вертикально-оптической моде (135), излучение моды в плоскости волноводного распространения (565) и излучение наклонных мод (455).

Идея подавления самых опасных паразитных мод в излучении света была ранее применена в лазерах с излучением от поверхности вертикального резонатора с добавочным антиволноводным резонатором. Патентная заявка США 11/099360, озаглавленная "OPTOELCTRONIC DEVICE BASED ON AN ANTIWAVEGUIDING CAVITY", поданная 5 апреля 2005 авторами настоящего изобретения и включенная в данный документ в качестве ссылки, раскрывает оптоэлектронное полупроводниковое устройство, включающее по меньшей мере один резонатор и один многослойный интерференционный отражатель. Предпочтительно резонатор выполнен таким образом, чтобы обладать свойствами автиволноводной полости. Резонатор имеет коэффициент преломления ниже, чем коэффициент преломления у распределенного брэгговского отражателя (РБО), так что фундаментальная оптическая мода устройства в резонаторе не локализована. Ни одна из оптических мод с существенным перекрыванием с активной средой не способна распространятся в поперечной плоскости. Существующие оптические моды являются модами, распространяющимися в вертикальном направлении или в направлении, слегка наклоненном по отношению к вертикали, при этом угол наклона меньше, чем угол полного внутреннего отражения на поверхности раздела полупроводник-воздух, и свет в таких оптических модах может выходить через верную поверхность или через подложку. Такое устройство уменьшает паразитные оптические моды и улучшает характеристики оптоэлектронных устройств, включая следующие разновидности устройств: плоскостной лазер с вертикальным резонатором, лазер с наклонным резонатором и излучением через верхнюю поверхность или подложку, фотодетектор с вертикальным или наклонным резонатором, оптический усилитель с вертикальным или наклонным резонатором, светоизлучающий диод и другие варианты. В этом изобретении для случая плоскостного лазера с вертикальным резонатором (VCSEL) самыми опасными модами являются те моды, которые могут распространяться в плоскости вдоль оксидной апертуры, или так называемые моды "шепчущей галереи", которые могут иметь достаточную добротность и порождать существенное усиление стимулированного излучения и укорочение радиационного времени жизни, однако такие опасные моды запрещены. Моды "шепчущей галереи", которые образуются благодаря внешней мезогранице VCSEL и которые имеют хорошую добротность, заполняя мезоструктуру с внешней границы до ~R/n, где R - внешний мезорадиус и n - эффективный коэффициент преломления плоскостного волновода, также влияют на рабочие характеристики устройства и могут даже вызвать лазерную генерацию и самопульсацию, если ~R/n находится в пределах размеров оксидной апертуры устройства.

На фиг.5(b) показана схематическая диаграмма распределения интенсивности моды в устройстве с антиволноводным резонатором. Можно видеть, что при такой конструкции большая часть излученного света направлена в направлениях, которые наклонены к поверхности, и потеряна для лазерной генерации. Важным моментом фиг.5(b) является факт, что паразитное излучение в основном сконцентрировано в узком диапазоне углов, в котором интенсивности мод эффективно перекрываются с активной областью.

На фиг.5(с) показана схематичная диаграмма распределения интенсивности моды в устройстве с волноводным резонатором. В этом случае релевантность наклонных мод слабее, однако около 35-50% излучения может быть сконцентрировано в паразитной волноводной моде, что создает множество проблем для устройства из-за образования высокотонких мод шепчущей галереи, которые связаны с окисной апертурой или внешним диаметром мезы устройства VCSEL. Как только заселенность достигнута, может начаться резкое усиление скорости радиационной рекомбинации, что уменьшает выход и вызывает более высокие плотности тока для достижения вертикальной лазерной генерации, дополнительного перегрева и, потенциально, самопульсации устройства и/или усиления шума.

Антиволноводная конструкция оптоэлектронного устройства все еще имеет проблемы, связанные с паразитными модами. В поперечной плоскости имеются моды шепчущей галереи, взаимосвязанные с наклонными вертикальными модами, что тоже может быть опасно. Даже если удается избежать этого, то другие паразитные моды продолжают вносить свой вклад в радиационные потери, перегрев устройства, хотя и в меньшем масштабе из-за низкой добротности.

Итак, что касается паразитных мод, то существуют потребность в способе подходов к эпитаксии, который бы помог получить дальнейшее снижение паразитных мод, по сравнению с обычными VCSEL и антиволноводными VCSEL структурами.

Другая проблема с применением прямо-модулированного VCSEL для высокоскоростной передачи данных связана с необходимостью в очень высокой плотности мощности. Эту проблему можно преодолеть, если вместо прямой модуляции использовать непрямую модуляцию. Непрямая модуляция с применением оптико-электронных эффектов при обратном напряжении смещения уже давно успешно применяются в ультраскоростных устройствах передачи, работающих при 40-60 Гб/с. Например, диаграмма «открытого глаза» была продемонстрирована при 40 Гб/с в случае работы электропоглощающего модулятора после передачи на 700 км.

Поскольку уже нет необходимости в прямой модуляции, это облегчает задачу работы с высокоскоростным сигналом. Из уровня техники известны точечные диодные фотодетекторы на 60-100 ГГц, использующие большие мезаприборы, а также иные устройства.

Патент US 6,285,704, "FIELD MODULATED VERTICAL CAVITY SURFACE-EMITTING LASER WITH INTERNAL OPTICAL PUMPING", выданный 4 сентября 2001, описывает VCSEL с фотонакачкой. Такое VCSEL устройство может быть модулировано при использовании внешнего электрического поля, приложенного перпендикулярно к активному слою, то есть применяя эффект Штарка для намеренного изменения ширины запрещенной зоны активного слоя, тем самым меняя длину волны излучения в сторону резонанса (и обратно) с оптическим резонатором, размещенным между верхним и нижним зеркалами.

Следовательно, оптический выход модулируется электрическим полем, а не инжектированными носителями заряда. Однако поскольку активная область устройства находится в условиях постоянной инверсии заселенности, то приложение обратного напряжения с целью изменить ширину запрещенной зоны может вызвать очень сильный фототок, что обедняет накачанную активную область.

Патент US 5,574,738, "MULTI-GIGAHERTZ FREQUENCY- MODULATED VERTICAL-CAVITY SURFACE EMITTING LASER", выданный 12 ноября 1996, раскрывает насыщаемый поглотитель, помещенный в распределенный брэгговский отражатель в составе VCSEL, который может быть самостоятельно настроен во время изготовления или работы. При контролируемых рабочих условиях насыщаемый поглотитель, с правильными размерами и размещением, заставляет VCSEL самостоятельно пульсировать (в режиме ГГц частот) со скоростью, связанной с локальной интенсивностью, поглощением, временем жизни, плотностью носителей в данном насыщаемом поглотителе. В одном из вариантов изобретения эффективность насыщаемого поглотителя может контролироваться квантово-ограниченным эффектом Штарка. Вместе с тем, режим синхронизации волн обычно очень чувствителен к условиям работы устройства и достижим в довольно узком интервале условий.

Патент US 6,396,083 "OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE WITH RESONANT CAVITY TUNABLE IN WAVELENGTH, APPLICATION TO MODULATION OF LIGHT INTENSITY", выданный 28 мая 2002, раскрывает устройство с резонансной полостью. Резонансная полость ограничена двумя зеркалами и по меньшей мере одной сверхрешеткой, помещенной в резонатор и образованной из пьезоэлектрических полупроводниковых слоев. Устройство также включает в себя средства для инжекции носителей заряда в сверхрешетку. Одним из недостатков этого устройства является необходимость использования пьезоэлектрических материалов. Пьезоэлектрические полупроводниковые слои выращиваются эпитаксиальными методами на подложке из Cd_0.88Zn_0.12Te и включают в себя структуру, состоящую из слоя Cd_0.91Mg_0.09Te и слоя Cd_0.88Zn_0.12Te, каждый из которых имеет толщину 10 нм. Такая структура повторяется около сотни раз. Устройство согласно этому патенту является двухполюсным устройством. Разделение носителей заряда на пьезоэлектрической сверхрешетке создает большие времена для уменьшения заселенности уровней. Модуляция длины волны и модуляция интенсивности в этом патенте всегда взаимосвязаны.

Электрооптический модулятор, основанный на квантово-ограниченном эффекте Шторка (QCSE) в устройстве VCSEL, был раскрыт авторами настоящего изобретения в патенте US 6,611,539, "WAVELENGTH-TUNABLE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD OF MAKING SAME", выданном 26 августа 2003, включенном сюда в качестве ссылки. Устройство включает в себя активную среду, подходящую для генерации роста и обеспечивающую лазерную генерацию этого устройства, и зависимую от положения область электрооптического модулятора. Приложение напряжения к области модулятора вызывает сдвиг длины волны в лазерной генерации. Поглощение в области модулятора остается низким. Прежде всего, такое устройство применимо для передачи данных с высоким быстродействием при использовании модуляции длины волны.

Патент US 7,075,954 "INTELLIGENT WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING SYSTEMS BASED ON ARRAYS OF WAVELENGTH TUNABLE LASERS AND WAVELENGTH TUNABLE RESONANT PHOTO DETECTORS", выданный 11 июля 2006 изобретателям настоящего изобретения и включенный сюда в качестве ссылки, раскрывает высокоскоростные системы передачи данных, основанные на конверсии модуляции длины волны в интенсивность излучения. При таком подходе VCSEL лазер с настраиваемой длиной волны работает совместно с селективным по длине волны фотодетектором на стороне ресивера. Модуляция длины волны в VCSEL преобразуется в модуляцию тока фотодетектора.

Патентная заявка США US 11/144482 "ELECTROOPTICALLY WAVELENGTH-TUNABLE RESONANT CAVITY AND OPTOELECTRONIC DEVICE FOR HIGH-SPEED DATA TRANSFER", поданная 2 июля 2005 авторами настоящего изобретения и включенная сюда в качестве ссылки, раскрывает высокоскоростную систему передачи данных, основанную на устройстве, которое имеет по меньшей мере один элемент с настраиваемой длиной волны, управляемый посредством приложенного напряжения, и по меньшей мере две резонансные полости.

На фигуре 6 показана схематическая диаграмма плоскостного лазера с вертикальным резонатором и электронной модуляцией интенсивности излучения, разработанного автором данного изобретения (US 11/144482). Устройство (600) включает в себя резонатор с настраиваемой длиной волны, которое имеет модулирующий элемент и резонатор со светогенерирующим элементом. Устройство (600) включает в себя подложку (101), предпочтительно n-типа, первый распределенный брэгговский отражатель (122), предпочтительно n-типа, и светогенерирующий элемент (123), а также первый токопроводящий р-слой (134), второй распределенный брэгговский отражатель (128), предпочтительно нелегированный, второй токопроводящий р-слой (663), фильтрующий элемент (652), в который введена модулирующая область, первый токопроводящий n-слой (664) и третий распределенный брэгговский отражатель (658), который предпочтительно нелегирован. Фильтрующий элемент (652) включает в себя слаболегированный слой р-типа или нелегированный слой (655), область модуляции (656) и слаболегированный слой n-типа или нелегированный слой (657). Прямое смещение (113) прилагается к светогенерирующему элементу (123) через n-контакт (111) и р-контакт (612). Обратное смещение (643) прилагается к модулирующей области (656) через р-контакт (641) и n-контакт (642). Апертуры (124) для тока вводятся между первым распределенным брэгговским отражателем (122) и светогенерирующим элементом (123), а также между светогенерирующим элементом (123) и первым токопроводящим р-слоем (134). Апертуры (654) для тока вводятся между вторым токопроводящим р-слоем (663) и фильтрующим элементом (652), а также между фильтрующим элементом (652) и токопроводящим n-слоем (664). Лазерное излучение (635) выходит наружу через третий распределенный брэгговский отражатель (658).

Частью устройства, включающего в себя подложку (101), первый распределенный брэгговский отражатель (122), светогенерирующий элемент (123) и второй распределенный брэгговский отражатель (128), является плоскостной лазер с вертикальным резонатором. Кроме того, устройство включает в себя фильтрующий элемент (652).

Предпочтительно слои модулирующего элемента (652) выполнены из любого материала, который согласован по параметру решетки или почти согласован по параметру решетки с материалом подложки и прозрачен для генерируемого лазерного излучения.

Модуляторная область (656) включает в себя одну или более квантовую яму, один или более слой квантовых проволок или квантовых точек, а также их комбинации. В частном варианте осуществления устройства согласно фиг.6 модулятор работает при приложении обратного смещения (643).

На фиг.7 схематически изображена работа модуляторного элемента (652) показанного на фиг.6 устройства (600). Работа модулятора основана на квантово-ограниченном эффекте Штарка. При изменении смещения меняется и приложенное к модулятору электрическое поле. Затем положение пика оптического поглощения (пик поглощения, показанный сплошной линией, смещается в положение, отображенное пунктирной линией) смещается благодаря эффекту Штарка, как показано на фиг.7(а). Согласно соотношению Крамерса-Кронига между реальной и мнимой частью диэлектрической функции среды, сдвиг в пике поглощения порождает модуляцию коэффициента преломления для модулятора, как показано на фиг.7(b), на которой кривая коэффициента преломления, показанная сплошной линией, смещается в положение, показанное пунктирной линией. Это приводит к смещению резонансной длины волны для спектра отражения в моде вертикального резонатора из изображенного на фиг.7(с) положения в положение на фиг.7(d) (пунктир). Это смещение приводит к совпадению длины волны, соответствующей прозрачности модулятора, с длиной волны генерируемого лазерного излучения и тем самым к повышению выходной мощности устройства.

В другом варианте известного из уровня техники устройства область модулятора работает при прямом смещении. Приложение прямого смещения приводит к эффекту обесцвечивания экситонов, что далее ведет к изменению коэффициента преломления в зоне модулятора.

На фиг.8 показаны принципы работы показанного на фиг.6 плоскостного лазера с вертикальным резонатором и с электронной настройкой длины волны. На фиг.8(а) показана упрощенная схема устройства согласно фиг.6, показывающая только главные компоненты. Показанные элементы включают в себя подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, первый резонатор (который включает в себя активную область), второй распределенный брэгговский отражатель, секцию фильтра с электрооптической модуляцией и третий распределенный брэгговский отражатель.

На фиг.8(b) показан пространственный профиль резонансной оптической моды устройства при переключении модулятора в резонансное состояние. На фиг.8(b) графически отображена абсолютная величина напряженности электрического поля в режиме оптической моды. В резонансном состоянии лазер генерирует световое излучение на длине волны, которая соответствует резонансной длине волны фильтра. Поэтому резонансная оптическая мода лазера является связанной модой, которая имеет высокую интенсивность, как в первом резонаторе, так и в фильтре. Следовательно, выходная мощность света, пропорциональная интенсивности поля в воздухе, является высокой.

На фигуре 8(с) графически представлен пространственный профиль резонансной оптической моды устройства, когда модулятор переключен в нерезонансное состояние. На фиг.8(с) графически представлена абсолютная величина напряженности электрического поля в режим