RU2552386C1 - Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon - Google Patents
Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2552386C1 RU2552386C1 RU2014106057/28A RU2014106057A RU2552386C1 RU 2552386 C1 RU2552386 C1 RU 2552386C1 RU 2014106057/28 A RU2014106057/28 A RU 2014106057/28A RU 2014106057 A RU2014106057 A RU 2014106057A RU 2552386 C1 RU2552386 C1 RU 2552386C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- active layer
- wavelength
- metal film
- light
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к квантовой электронике, а более конкретно к излучающим устройствам на ее основе - полупроводниковым лазерам и светоизлучающим диодам.The invention relates to quantum electronics, and more specifically to radiating devices based on it - semiconductor lasers and light emitting diodes.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время широко используются полупроводниковые излучающие устройства, такие как светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры (которые могут рассматриваться как светоизлучающие диоды с оптической обратной связью). Наиболее распространены излучающие устройства видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Далее, для простоты, мы будем называть светом излучение в обоих этих диапазонах.Currently, semiconductor emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers (which can be considered as light emitting diodes with optical feedback) are widely used. The most common emitting devices are visible and near infrared. Further, for simplicity, we will call light radiation in both of these ranges.
Генерация и усиление светового излучения в этих устройствах происходит в планарных полупроводниковых структурах, например в полупроводниковых структурах с квантовыми ямами, выполненных на поверхности полупроводниковой подложки. Эту усиливающую свет часть полупроводниковой структуры (с квантовыми ямами, как один из возможных примеров) мы будем называть активным слоем. Электрическая накачка подается через электрические контакты, которые приложены к сильно допированным p- и n-областям, расположенным с разных сторон от данного активного слоя.The generation and amplification of light radiation in these devices occurs in planar semiconductor structures, for example, in semiconductor structures with quantum wells, made on the surface of a semiconductor substrate. This light-amplifying part of the semiconductor structure (with quantum wells, as one of the possible examples) will be called the active layer. Electric pumping is supplied through electrical contacts, which are applied to strongly doped p- and n-regions located on different sides of this active layer.
Наиболее распространены два типа излучающих полупроводниковых устройств:The most common are two types of emitting semiconductor devices:
(1) светодиоды (и лазеры) с торцевым излучением и(1) LEDs (and lasers) with end radiation and
(2) лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность.(2) lasers with a vertical cavity and radiation output through the surface.
В первом случае излучение усиливается, распространяясь вдоль планарной структуры, и выходит через ее торец. Для создания оптической обратной связи и лазерной генерации на противоположных сторонах подложки (перпендикулярно ее поверхности) создают резонаторные зеркала. Излучение оказывается частично захваченным в образовавшемся резонаторе между зеркалами и происходит лазерная генерация. Во многих случаях для отражения света обратно в полупроводниковую усиливающую среду достаточно простого скола подложки. Так как показатель преломления полупроводника (n≅3.5) много больше, чем показатель преломления воздуха (n≅1), то отражение от торца структуры часто достаточно сильное и без дополнительных зеркал.In the first case, the radiation is amplified, propagating along the planar structure, and exits through its end. To create optical feedback and laser generation on opposite sides of the substrate (perpendicular to its surface) create resonator mirrors. The radiation turns out to be partially captured in the formed cavity between the mirrors and laser generation occurs. In many cases, a simple cleavage of the substrate is sufficient to reflect light back into the semiconductor amplifying medium. Since the refractive index of a semiconductor (n≅3.5) is much larger than the refractive index of air (n≅1), the reflection from the end of the structure is often quite strong without additional mirrors.
Лазеры с торцевым выводом излучения являются наиболее распространенными полупроводниковыми лазерными излучателями. К недостаткам этих излучателей можно отнести то, что они, как правило, излучают в несколько пространственных мод и на нескольких частотах. Частотную селективность можно повысить в лазере с распределенной обратной связью, где обратная связь создается за счет отражения световых волн от пространственно-периодической структуры (решетки), создаваемой в активном слое. Но такие лазеры требуют большего числа технологических операций, так как после эпитаксиального выращивания активного слоя и вытравливания решетки в нем требуется дальнейшее эпитаксиальное выращивание последующих заключительных полупроводниковых слоев (etch-and-regrow). Излучатели с торцевым излучением также имеют значительную степень астигматизма, затрудняя фокусировку луча и его ввод в оптические волноводы.End output lasers are the most common semiconductor laser emitters. The disadvantages of these emitters include the fact that they, as a rule, emit in several spatial modes and at several frequencies. Frequency selectivity can be increased in a laser with distributed feedback, where feedback is created by the reflection of light waves from a spatially periodic structure (lattice) created in the active layer. But such lasers require a greater number of technological operations, since after epitaxial growth of the active layer and etching of the lattice, it requires further epitaxial growth of subsequent final semiconductor layers (etch-and-regrow). End emitters also have a significant degree of astigmatism, making it difficult to focus the beam and enter it into optical waveguides.
Во втором случае, в лазерах с вертикальным резонатором, планарные резонаторные зеркала расположены параллельно поверхности - сверху и снизу от полупроводникового усиливающего слоя. Такая оптическая обратная связь создает лазерный луч, испускаемый в направлении, перпендикулярном плоскости подложки (т.е. в данных терминах "вертикально").In the second case, in lasers with a vertical resonator, planar resonator mirrors are located parallel to the surface - above and below the semiconductor amplifying layer. Such optical feedback creates a laser beam that is emitted in a direction perpendicular to the plane of the substrate (ie, in these terms “vertically”).
Недостатком лазерных излучателей с вертикальным резонатором является малая величина усиления на один проход из-за малой толщины планарной усиливающей структуры в направлении, перпендикулярном поверхности. Как правило, необходимы высококачественные резонаторные зеркала с большим коэффициентом отражения для обеспечения многократного отражения и достаточного усиления в данных лазерах. Такие лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность находят применение в системах оптической информации и оптической связи.The disadvantage of laser emitters with a vertical resonator is the small gain per pass due to the small thickness of the planar reinforcing structure in the direction perpendicular to the surface. As a rule, high-quality resonator mirrors with a large reflection coefficient are required to provide multiple reflection and sufficient amplification in these lasers. Such lasers with a vertical cavity and radiation output through the surface are used in optical information and optical communication systems.
К недостаткам светодиодов с торцевым выводом излучения можно отнести сильное отражение выходного излучения на границе полупроводник/воздух за счет большой разницы в показателях преломления этих сред (n≅3.5/1 соответственно). Это приводит к созданию паразитной оптической обратной связи, которой следует избегать при производстве светодиодов. Ослабление интенсивности выходного излучения светодиодов происходит как за счет отражения света при его нормальном падении на границу раздела, так и за счет полного внутреннего отражения (ПВО) выходного излучения обратно в полупроводник при падении света на границу раздела с углами, большими угла ПВО (который равен всего 17° при данных показателях преломления).The disadvantages of light emitting diodes with end output of radiation are the strong reflection of the output radiation at the semiconductor / air interface due to the large difference in the refractive indices of these media (n≅3.5 / 1, respectively). This leads to the creation of spurious optical feedback, which should be avoided in the manufacture of LEDs. The attenuation of the intensity of the output radiation of the LEDs occurs both due to the reflection of light during its normal incidence at the interface, and due to the total internal reflection (IR) of the output radiation back to the semiconductor when light falls on the interface with angles greater than the angle of air defense (which is 17 ° at given refractive indices).
Следовательно, существует необходимость в разработке таких светодиодов с торцевым выводом, которые бы не теряли мощность выходного излучения за счет его отражения на границе полупроводник/воздух обратно в полупроводник. Также на основе таких светодиодов могут быть сделаны лазеры со стабильной частотой лазерного излучения и улучшенными пространственными характеристиками выходного лазерного излучения.Therefore, there is a need to develop such LEDs with an end output that would not lose the power of the output radiation due to its reflection at the semiconductor / air interface back into the semiconductor. Also, based on such LEDs, lasers with a stable laser frequency and improved spatial characteristics of the output laser radiation can be made.
Для решения этих проблем, для преодоления вышеуказанных недостатков и улучшения генерации и вывода излучения из полупроводникового излучающего устройства в настоящем изобретении будут использоваться поверхностные оптические волны, а именно длиннопробежные1 (Здесь и далее в описании и формуле изобретения длиннопробежными мы будем называть поверхностные волны, распространяющиеся на расстояние много больше, чем их длина волны, или, более определенно, на расстояние большее, чем десять длин волн) поверхностные плазмоны (ДПП) в тонкой металлической пленке на поверхности фотонного кристалла.To solve these problems, to overcome the above disadvantages and improve the generation and output of radiation from a semiconductor emitting device, the present invention will use surface optical waves, namely long-range 1 (Hereinafter, in the description and claims, long-range waves will be referred to as the distance is much greater than their wavelength, or, more specifically, a distance greater than ten wavelengths) surface plasmons (DFS) in thin meta netocrystalline film on the surface of the photonic crystal.
Поверхностные плазмоны (ПП) - это поверхностные оптические волны, существующие вблизи границы металл - диэлектрик [1]. Длиннопробежные ПП получают, располагая тонкую металлическую пленку между двумя диэлектриками с идентичными показателями преломления [2, 3] либо располагая данную тонкую металлическую пленку на поверхности "фотонного кристалла" (ФК) [4, 5].Surface plasmons (PP) are surface optical waves that exist near the metal – insulator interface [1]. Long-range PPs are obtained by placing a thin metal film between two dielectrics with identical refractive indices [2, 3] or by placing this thin metal film on the surface of a “photonic crystal” (PC) [4, 5].
Фотонные кристаллы (ФК) - это материалы с показателем преломления, периодически меняющимся на длине порядка длины волны света [6]. В этих материалах существуют запрещенные энергетические зоны, весьма подобные запрещенным энергетическим зонам для электронов, распространяющихся в обычном кристалле. В обоих случаях существует интервал частот, где волновое распространение запрещено. Эта аналогия может быть распространена и на поверхностные уровни, которые могут существовать в запрещенных энергетических зонах обычных кристаллов. В ФК они соответствуют поверхностным оптическим модам с дисперсионными кривыми, расположенными внутри запрещенных зон. Мы будем использовать одномерный (1D) ФК, т.е. обычное многослойное зеркало из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления.Photonic crystals (FCs) are materials with a refractive index that periodically varies over a length of the order of the wavelength of light [6]. In these materials there are forbidden energy bands, very similar to forbidden energy bands for electrons propagating in an ordinary crystal. In both cases, there is a frequency range where wave propagation is prohibited. This analogy can also be extended to surface levels that can exist in the forbidden energy bands of ordinary crystals. In PC, they correspond to surface optical modes with dispersion curves located inside the forbidden zones. We will use a one-dimensional (1D) FC, i.e. ordinary multilayer mirror of alternating layers with high and low refractive index.
Следует отметить, что многослойные зеркала из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления (т.е. в используемых здесь терминах 1D ФК) часто используются при производстве как светодиодов, так и полупроводниковых лазеров. Однако во всех этих случаях 1D ФК используется просто как высококачественные зеркала: либо как зеркала резонатора для лазеров с вертикальным резонатором, либо в светодиодах с выводом излучения через поверхность - как зеркало, препятствующее уходу излучения в подложку.It should be noted that multilayer mirrors of alternating layers with a high and low refractive index (i.e., in the terms 1D FC used here) are often used in the manufacture of both LEDs and semiconductor lasers. However, in all these cases, 1D FC is used simply as high-quality mirrors: either as resonator mirrors for lasers with a vertical resonator, or in LEDs with radiation output through the surface — as a mirror preventing radiation from escaping into the substrate.
Так, например, известен лазерный диод с излучением через поверхность (surface-emitting laser diode) [7], который содержит активный слой из полупроводникового материала; электрические контакты, расположенные с обоих сторон от данного активного слоя, для накачки данного активного слоя электрическим током, причем верхний контакт имеет пространственно-периодическую структуру на его поверхности; металлическую пленку на данном верхнем контакте, которая поддерживает распространение обычных ПП вдоль данной пленки. Кроме того, в этом лазерном диоде с излучением через поверхность может содержаться многослойное зеркало, препятствующее уходу излучения в подложку.For example, a laser diode with radiation through a surface (surface-emitting laser diode) is known [7], which contains an active layer of semiconductor material; electrical contacts located on both sides of the active layer for pumping this active layer with electric current, the upper contact having a spatially periodic structure on its surface; a metal film at this upper contact, which supports the propagation of ordinary PP along this film. In addition, in this laser diode with radiation through the surface, a multilayer mirror may be contained to prevent radiation from escaping into the substrate.
Недостатком этого устройства являются очень большие потери излучения из-за большого затухания обычных ПП в металлической пленке (как правило с толщиной пленки >30 нм) данного лазерного диода. Многослойное зеркало или зеркала в данном прототипе если используются, то только как зеркала вертикального резонатора, отражающие излучение перпендикулярно поверхности, а не как структура, поддерживающая распространение излучения вдоль поверхности.The disadvantage of this device is the very large radiation loss due to the large attenuation of conventional PPs in a metal film (usually with a film thickness> 30 nm) of this laser diode. A multilayer mirror or mirrors in this prototype, if used, are used only as vertical resonator mirrors reflecting radiation perpendicular to the surface, and not as a structure supporting the propagation of radiation along the surface.
В нашем же изобретении 1D ФК используется совсем в другом качестве - как подложка, поддерживающая длиннопробежное распространение излучения вдоль поверхности данной структуры (т.е. по поверхности зеркала), что возможно только при определенных толщинах слоев в данной многослойной структуре и определенной толщине верхней металлической пленки, удовлетворяющих дисперсионному уравнению поверхностных волн в данной многослойной структуре [4, 5].In our invention, 1D FC is used in a completely different quality — as a substrate supporting long-range radiation propagation along the surface of a given structure (i.e., along the surface of a mirror), which is possible only at certain layer thicknesses in a given multilayer structure and a certain thickness of the upper metal film satisfying the dispersion equation of surface waves in this multilayer structure [4, 5].
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачами данного изобретения являются:The objectives of this invention are:
1) увеличение интенсивности выходного излучения и ослабление оптической обратной связи для светодиодов с торцевым выводом излучения,1) increasing the intensity of the output radiation and the weakening of the optical feedback for LEDs with end output radiation,
2) улучшение пространственных и частотных характеристик излучения полупроводниковых лазеров с торцевым и вертикальным выводом излучения,2) improving the spatial and frequency characteristics of the radiation of semiconductor lasers with end and vertical output radiation,
3) упрощение конструкции и уменьшение числа технологических операций при производстве полупроводниковых источников излучения с улучшенными пространственными и частотными характеристиками выходного излучения.3) simplifying the design and reducing the number of technological operations in the production of semiconductor radiation sources with improved spatial and frequency characteristics of the output radiation.
Поставленные задачи решаются нами благодаря тому, что в устройстве, описанном в прототипе [7], содержащем:The tasks are solved by us due to the fact that in the device described in the prototype [7], containing:
A) активный слой из полупроводникового материала,A) an active layer of semiconductor material,
B) электрические контакты, расположенные с обоих сторон от данного активного слоя, для накачки данного активного слоя электрическим током,B) electrical contacts located on both sides of the active layer for pumping this active layer with electric current,
C) многослойную структуру с периодически чередующимися слоями с отличающимися показателями преломления, расположенную с одной стороны от данного активного слоя; нами предусмотрены следующие отличия:C) a multilayer structure with periodically alternating layers with different refractive indices, located on one side of the active layer; we have provided the following differences:
D) один из электрических контактов - верхний - представляет собой тонкую металлическую пленку толщиной от 3 нм до 30 нм, расположенную непосредственно над данным активным слоем на расстоянии не более 70 нм от данного активного слоя,D) one of the electrical contacts - the upper one - is a thin metal film with a thickness of 3 nm to 30 nm, located directly above this active layer at a distance of not more than 70 nm from this active layer,
E) толщины слоев в данной многослойной структуре и толщина данного верхнего электрического контакта выбраны таким образом, чтобы данная структура поддерживала длиннопробежное распространение излучения в моде, распространяющейся вдоль поверхности данной структуры, причем эффективный показатель преломления излучения в данной моде отличается не более чем на 1/100 от показателя преломления данного излучения во внешней среде.E) the layer thicknesses in this multilayer structure and the thickness of this upper electrical contact are selected so that this structure supports long-range propagation of radiation in a mode propagating along the surface of this structure, and the effective refractive index of radiation in this mode differs by no more than 1/100 from the refractive index of a given radiation in the external environment.
Кроме того, предложенный источник излучения может отличаться тем, чтоIn addition, the proposed radiation source may differ in that
F) данная тонкая металлическая пленка, являющаяся данным верхним электрическим контактом, представляет собой пространственно-периодическую структуру с периодом, равным половине длины волны света, и играет роль распределенной обратной связи для генерации лазерного излучения в данном устройстве.F) this thin metal film, which is this upper electrical contact, is a spatially periodic structure with a period equal to half the wavelength of light, and plays the role of distributed feedback to generate laser radiation in this device.
Дополнительно предложенный источник излучения может отличаться тем, чтоAdditionally, the proposed radiation source may differ in that
G) в данной пространственно-периодической структуре может присутствовать гармоника с периодом, большим чем половина длины волны света, и при взаимодействии с данной гармоникой излучение будет выходить через поверхность структуры, а не через ее торец. Так, например, если период данной гармоники равен длине волны света, то излучение будет выходить перпендикулярно поверхности структуры. Это улучшит пространственные характеристики выходного излучения (уменьшит астигматизм, как пример) данного полупроводникового излучателя по сравнению с торцевым выводом излучения (технический результат (2)).G) a harmonic with a period greater than half the wavelength of light may be present in a given spatially periodic structure, and when interacting with this harmonic, the radiation will exit through the surface of the structure, and not through its end. So, for example, if the period of a given harmonic is equal to the wavelength of light, then the radiation will exit perpendicular to the surface of the structure. This will improve the spatial characteristics of the output radiation (reduce astigmatism, as an example) of this semiconductor emitter in comparison with the end output of the radiation (technical result (2)).
Совокупности существенных признаков (D-G) достаточно для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата (1-3). Причинно-следственная связь между указанными существенными признаками (D-G) и достигаемым техническим результатом (1-3) заключается в том, что именно на поверхности фотонного кристалла с правильно подобранными толщинами слоев (существенный отличительный признак E) можно возбудить ДПП, распространяющиеся вдоль тонкой металлической пленки (существенный отличительный признак D) с малыми оптическими потерями в этой пленке - много меньшими, чем потери при распространении ПП в толстых пленках (технический результат (1)). Кроме того, эффективный показатель преломления данной длиннопробежной моды очень близок к показателю преломления данного излучения во внешней среде (см. пояснения после дисперсионного уравнения (1) ниже). Такого малого эффективного показателя преломления внутри полупроводника невозможно добиться при использовании обычных ПП или обычных волноводных волн в полупроводниковых гетероструктурах. Так как разница между эффективным показателем преломления моды и показателем преломления внешней среды мала, то, следовательно, паразитное отражение назад в полупроводник также пренебрежимо мало. Это позволяет дополнительно увеличить интенсивности выходного излучения светодиодов с торцевым выводом излучения и ослабить паразитную оптическую обратную связь для светодиодов (технический результат (1)).The set of essential features (D-G) is sufficient to achieve the technical result provided by the invention (1-3). A causal relationship between the indicated essential features (DG) and the achieved technical result (1-3) is that it is on the surface of a photonic crystal with correctly selected layer thicknesses (a significant distinguishing feature E) that DPRs propagating along a thin metal film can be excited (an essential distinguishing feature of D) with low optical losses in this film is much smaller than the losses due to the propagation of PP in thick films (technical result (1)). In addition, the effective refractive index of this long-range mode is very close to the refractive index of this radiation in the external environment (see explanations after dispersion equation (1) below). It is impossible to achieve such a small effective refractive index inside a semiconductor using conventional PPs or ordinary waveguide waves in semiconductor heterostructures. Since the difference between the effective refractive index of the mode and the refractive index of the external medium is small, therefore, spurious reflection back into the semiconductor is also negligible. This allows you to further increase the intensity of the output radiation of the LEDs with the end output of the radiation and weaken the spurious optical feedback for the LEDs (technical result (1)).
Частотные характеристики излучения полупроводникового лазерного излучателя (технический результат (2)) можно улучшить за счет создания пространственной решетки на поверхности металлической пленки, которая создаст распределенную обратную связь и обеспечит лазерную генерацию на фиксированной частоте (существенный признак G). Причем создание этой решетки производится после завершения роста эпитаксиальной полупроводниковой структуры и повторный эпитаксиальной рост после создания решетки не требуется (т.е. процедура etch-and-regrow исключается). Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию и уменьшить число технологических операций при производстве полупроводниковых источников излучения с улучшенными пространственными и частотными характеристиками выходного излучения (технический результат (3)).The frequency characteristics of the radiation of a semiconductor laser emitter (technical result (2)) can be improved by creating a spatial lattice on the surface of the metal film, which will create distributed feedback and provide laser generation at a fixed frequency (an essential feature of G). Moreover, the creation of this lattice is performed after the growth of the epitaxial semiconductor structure is completed and repeated epitaxial growth after the creation of the lattice is not required (i.e., the etch-and-regrow procedure is excluded). Thus, the invention allows to simplify the design and reduce the number of technological operations in the production of semiconductor radiation sources with improved spatial and frequency characteristics of the output radiation (technical result (3)).
Перечень фигур чертежейList of drawings
Сущность изобретения и примеры, подтверждающие возможность его осуществления, поясняются ниже с помощью чертежей, на которых схематично изображено следующее.The invention and examples, confirming the possibility of its implementation, are explained below using the drawings, which schematically depict the following.
Фиг.1 - схема полупроводникового светодиода на длиннопробежных поверхностных плазмонах с активным слоем 1 и многослойной структурой 2, эпитаксиально осажденными на полупроводниковую монокристаллическую подложку 5. Электрические контакты 3 и 4 используются для накачки данного активного слоя электрическим током, причем верхний электрический контакт 3 это металлическая пленка нанометровой толщины. Излучение 6 выводится через торец данного светодиода без обратного отражения в полупроводник.Figure 1 - diagram of a semiconductor LED on long-range surface plasmons with an
Фиг.2 - схема полупроводникового лазера на длиннопробежных поверхностных плазмонах с торцевым выводом излучения, где роль распределенной обратной связи играет решетка с периодом λ/2, осажденная на металлическую пленку 3.Figure 2 - diagram of a semiconductor laser on long-range surface plasmons with an end output of radiation, where the role of distributed feedback is played by a grating with a period λ / 2 deposited on a
Фиг.3 - схема полупроводникового светодиода на длиннопробежных поверхностных плазмонах, в котором излучение выходит через поверхность после взаимодействия с решеткой с периодом, большим чем половина длины волны света. В представленном на чертеже случае, когда данный период решетки равен длине волны света λ, излучение выходит перпендикулярно поверхности.Figure 3 is a diagram of a semiconductor LED on long-range surface plasmons in which radiation exits through the surface after interacting with the grating with a period greater than half the wavelength of light. In the case shown in the drawing, when a given grating period is equal to the wavelength of light λ, the radiation emerges perpendicular to the surface.
Фиг.4 - схема полупроводникового лазера на длиннопробежных поверхностных плазмонах с вертикальным выводом излучения. Пространственно-периодическая структура на поверхности пленки 3 кроме периода, равного половине длины волны света, содержит пространственную гармонику с периодом, равным длине волны света. Пространственная гармоника с периодом λ/2 создает распределенную обратную связь в данном лазере, а пространственная гармоника с периодом λ выводит получившееся лазерное излучение перпендикулярно поверхности.Figure 4 - diagram of a semiconductor laser on long-range surface plasmons with a vertical output radiation. The spatial-periodic structure on the surface of the
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Для более полного понимания изобретения и с целью его иллюстрации ниже приводятся расчеты возможного варианта его осуществления. Однако следует понимать, что возможны его различные модификации, очевидные для специалиста в данной области техники, не меняющие существа изобретения и не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.For a more complete understanding of the invention and for the purpose of illustrating it, below are the calculations of a possible embodiment. However, it should be understood that its various modifications are possible, obvious to a person skilled in the art, not changing the essence of the invention and not going beyond the scope of the invention defined by the attached claims.
Ниже мы приведем конкретные параметры ФК, при которых ДПП распространяются по поверхности тонкой золотой пленки, осажденной на его поверхность. Пусть, к примеру, мы собираемся изготовить полупроводниковый источник света на длину волны λ=660 нм, используя квантовую яму из Ga0.5In0.5P и полупроводниковые слои из Al0.5In0.5P (низкий показатель преломления) и (Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P (высокий показатель преломления).Below, we give specific parameters of the photonic crystal at which the DPP propagate over the surface of a thin gold film deposited on its surface. Suppose, for example, that we are going to fabricate a semiconductor light source at a wavelength of λ = 660 nm using a quantum well of Ga 0.5 In 0.5 P and semiconductor layers of Al 0.5 In 0.5 P (low refractive index) and (Al 0.3 Ga 0.7 ) 0.5 In 0.5 P (high refractive index).
Общая процедура для расчета 1D ФК, поддерживающего распространение ДПП по металлической нанопленке вдоль своей поверхности, приведена в [5]. При заданных показателях преломления данной пары материалов предварительные толщины слоев из этих материалов получают из дисперсионной формулы для p-поляризованных оптических мод на поверхности полубесконечного 1D ФК:The general procedure for calculating the 1D photonic crystal supporting the propagation of DPP along a metal nanofilm along its surface is given in [5]. For given refractive indices of a given pair of materials, preliminary layer thicknesses from these materials are obtained from the dispersion formula for p-polarized optical modes on the surface of a semi-infinite 1D FC:
где kz(3)=(2π/λ)n3cos(θ3) и M это целое число.where k z (3) = (2π / λ) n 3 cos (θ 3 ) and M is an integer.
Нормальный импеданс Z в этих выражениях - это отношение тангенсальных компонент электрического и магнитного полей:The normal impedance Z in these expressions is the ratio of the tangential components of the electric and magnetic fields:
Импеданс для p-поляризованной или ТМ волны есть:The impedance for a p-polarized or TM wave is:
Входной импеданс для полубесконечного 1D ФК имеет следующую форму:The input impedance for a semi-infinite 1D FC has the following form:
где s=-4Z(1)Z(2)(Z(2)tan(α1)+Z(1)tan(α2))(Z(1)tan(α1)+Z(2)tan(α2))+where s = -4Z (1) Z (2) (Z (2) tan (α 1 ) + Z (1) tan (α 2 )) (Z (1) tan (α 1 ) + Z (2) tan ( α 2 )) +
+[(Z2 (2)-Z2 (1))tan(α1)tan(α2)]2.+ [(Z 2 (2) -Z 2 (1) ) tan (α 1 ) tan (α 2 )] 2 .
Дисперсионное уравнение (1) имеет решение, даже если финальная тонкая пленка с толщиной d3 и с показателем преломления n3 является металлической. В качестве тонкой металлической пленки, в данном примере, мы возьмем золотую пленку и зададим следующие параметры ФК: рабочий диапазон длин волн λ=658-660 нм; показатель преломления слоя с низким показателем преломления L (состоящего из Al0.5In0.5P), на данной длине волны равный nL=3.05; показатель преломления слоя с высоким показателем преломления H (состоящего из (Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P), равный nH=3.53; показатель преломления золотой пленки Au, равный n3=nAu=0.16369+i·3.2282, толщину золотой пленки зададим равной d3=dAu=12 нм; показатель преломления внешней среды (воздуха) ne=1.0003.Dispersion equation (1) has a solution even if the final thin film with a thickness of d 3 and a refractive index of n 3 is metallic. As a thin metal film, in this example, we take a gold film and set the following PK parameters: working wavelength range λ = 658-660 nm; the refractive index of a layer with a low refractive index L (consisting of Al 0.5 In 0.5 P) at a given wavelength equal to n L = 3.05; the refractive index of a layer with a high refractive index H (consisting of (Al 0.3 Ga 0.7 ) 0.5 In 0.5 P) equal to n H = 3.53; the refractive index of the Au gold film, equal to n 3 = n Au = 0.16369 + i · 3.2282, we set the thickness of the gold film equal to d 3 = d Au = 12 nm; refractive index of the environment (air) n e = 1.0003.
Из дисперсионного уравнения (1) получим приближенные значения толщин слоев L и H1. Затем учтем, что у нас не полубесконечный фотонный кристалл, а конечное число чередующихся пар слоев H1/L, осажденных на подложку из AsGa. Численно оптимизируем полученные из дисперсионного уравнения приближенные значения L и H1 для реальной конечной системы на данной подложке и получим следующую структуру для ДПП:From dispersion equation (1) we obtain approximate values of the thicknesses of the layers L and H 1 . Then we will take into account that we do not have a semi-infinite photonic crystal, but a finite number of alternating pairs of H 1 / L layers deposited on an AsGa substrate. We numerically optimize the approximate values of L and H 1 obtained from the dispersion equation for a real finite system on a given substrate and obtain the following structure for the DFT:
(n+)подложка/(n-H1/n-L)18/i-H2/QW/i-H2/Au/воздух,(n +) substrate / (nH 1 / nL) 18 / iH 2 / QW / iH 2 / Au / air,
где толщина слоев с низким показателем преломления (L) - состоящих из Al0.5In0.5P, есть dL=54.85 нм, а толщины слоев с высоким показателем преломления (H) - состоящих из (Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P, равны:where the thickness of the layers with a low refractive index (L) - consisting of Al 0.5 In 0.5 P, is d L = 54.85 nm, and the thicknesses of the layers with a high refractive index ( L ) - consisting of (Al 0.3 Ga 0.7 ) 0.5 In 0.5 P, equal to:
H1 с толщиной dH1=51.05 нм,H 1 with a thickness d H1 = 51.05 nm,
H2 с толщиной dH2=22.0 нм.H 2 with a thickness d H2 = 22.0 nm.
Толщина квантовой ямы (QW), состоящей из материала Ga0.5In0.5P (nQW=3.515), взята равной dQW=10.0 нм. Все показатели преломления приведены для длины волны λ=660 нм. Символами i- и n- обозначены недопированные слои и слои с электронной проводимостью, соответственно.The thickness of the quantum well (QW) consisting of Ga 0.5 In 0.5 P material (n QW = 3.515) is taken to be d QW = 10.0 nm. All refractive indices are given for wavelength λ = 660 nm. The symbols i- and n- denote undoped layers and layers with electronic conductivity, respectively.
Такая 39-слойная полупроводниковая ФК структура с указанными выше параметрами, покрытая 12 нм золотой пленкой, имеет дисперсию, представленную на Фиг.5. Дисперсия ФК представлена в координатах λ(ρ), где λ - это длина волны, а ρ - это числовая апертура ρ=n0sin(θ0). Числовая апертура ρ может использоваться как угловая переменная вместо углов θj в различных слоях. Это будет универсальный угловой параметр для всех слоев, так как, по закону преломления Снеллиуса, ρ=n0sin(θ0)=njsin(θj), для любого слоя j. Параметр ρ, при котором возбуждается поверхностная мода, равен эффективному показателю преломления этой моды. Следовательно, темная кривая на Фиг.5 (с усилением порядка 100) представляет собой дисперсию поверхностной оптической моды. Видно, что данная мода в рабочем диапазоне длин волн (λ=658-660 нм) возбуждается с эффективным показателем преломления моды p≅1. Например, при λ=660 нм, в представленной структуре, p=1.0012. Это означает, что при торцевом выводе излучения во внешнюю среду (воздух) с ne=1.0003 она не будет испытывать отражения на границе полупроводник/воздух.Such a 39-layer semiconductor PC structure with the above parameters, coated with a 12 nm gold film, has the dispersion shown in FIG. 5. The variance of the photonic crystal is represented in the coordinates λ (ρ), where λ is the wavelength and ρ is the numerical aperture ρ = n 0 sin (θ 0 ). The numerical aperture ρ can be used as an angular variable instead of angles θ j in different layers. This will be a universal angular parameter for all layers, since, according to Snell's law of refraction, ρ = n 0 sin (θ 0 ) = n j sin (θ j ), for any layer j. The parameter ρ at which the surface mode is excited is equal to the effective refractive index of this mode. Therefore, the dark curve in FIG. 5 (with a gain of the order of 100) represents the dispersion of the surface optical mode. It can be seen that this mode in the operating wavelength range (λ = 658–660 nm) is excited with an effective refractive index of the mode p≅1. For example, at λ = 660 nm, in the presented structure, p = 1.0012. This means that with the end output of radiation into the external medium (air) with n e = 1.0003, it will not experience reflection at the semiconductor / air interface.
С другой стороны, из той же дисперсионной картины с Фиг.5 видно, что в рабочем диапазоне длин волн λ=658-660 нм внутри запрещенной зоны (светлая область) нет других мод куда могла бы излучиться энергия люминесценции квантовой ямы. Следовательно, можно ожидать увеличения интенсивности выходного излучения за счет эффективного преобразования энергии в излучение через данную поверхностную моду ДПП.On the other hand, it can be seen from the same dispersion pattern in Fig. 5 that in the working wavelength range λ = 658-660 nm, there are no other modes inside the band gap (bright region) where the luminescence energy of the quantum well could be emitted. Therefore, one can expect an increase in the intensity of the output radiation due to the efficient conversion of energy into radiation through a given surface mode of the DFS.
Список литературыBibliography
[1] Н. Raether, Surface Plasmons. Berlin: Springer, 1988.[1] N. Raether, Surface Plasmons. Berlin: Springer, 1988.
[2] D. Sarid, "Long-range surface-plasma waves on very thin metal films," Phys. Rev. Lett., vol.47, pp.1927-1930, December 1981.[2] D. Sarid, "Long-range surface-plasma waves on very thin metal films," Phys. Rev. Lett., Vol. 47, pp. 1927-1930, December 1981.
[3] A.E. Craig, G.A. Olson, and D. Sarid, "Experimental observation of the long-range surface-plasmon polariton," Opt. Lett., vol.8, pp.380-382, July 1983.[3] A.E. Craig, G.A. Olson, and D. Sarid, "Experimental observation of the long-range surface-plasmon polariton," Opt. Lett., Vol. 8, pp. 380-382, July 1983.
[4] V.N. Konopsky and E.V. Alieva, "Long-range propagation of plasmon polaritons in a thin metal film on a one-dimensional photonic crystal surface," Phys. Rev. Lett., vol.97, no.25, pp.253904, 2006.[4] V.N. Konopsky and E.V. Alieva, "Long-range propagation of plasmon polaritons in a thin metal film on a one-dimensional photonic crystal surface," Phys. Rev. Lett., Vol. 97, no.25, pp. 2553904, 2006.
[5] V.N. Konopsky, "Plasmon-polariton waves in nanofilms on one-dimensional photonic crystal surfaces," New 3. Phys., vol.12, pp.093006, 2010.[5] V.N. Konopsky, "Plasmon-polariton waves in nanofilms on one-dimensional photonic crystal surfaces,"
[6] E. Yablonovitch, "Photonic band-gap structures," J. Opt. Soc. Am. B, vol.10, no.2, pp.283-295, 1993.[6] E. Yablonovitch, "Photonic band-gap structures," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 10, no.2, pp. 283-295, 1993.
[7] E. Gornik and A. Kock, "Surface-emitting laser diode," Sept. 10 1996. US Patent 5555255.[7] E. Gornik and A. Kock, "Surface-emitting laser diode," Sept. 10 1996. US Patent 5555255.
Claims (4)
активный слой из полупроводникового материала;
многослойную структуру с периодически чередующимися слоями с отличающимися показателями преломления, расположенную с одной стороны от данного активного слоя;
электрические контакты - верхний и нижний, расположенные с обоих сторон от данного активного слоя, для накачки данного активного слоя электрическим током;
отличающийся тем, что:
один из электрических контактов - верхний - представляет собой тонкую металлическую пленку толщиной от 3 нм до 30 нм, расположенную непосредственно над данным активным слоем на расстоянии не более 70 нм от данного активного слоя;
толщины слоев в данной многослойной структуре и толщина данного верхнего электрического контакта выбраны таким образом, чтобы данная структура поддерживала длиннопробежное распространение излучения в моде, распространяющейся вдоль поверхности данной структуры, причем эффективный показатель преломления излучения в данной моде отличается не более чем на 1/100 от показателя преломления данного излучения во внешней среде.1. A radiation source containing:
active layer of semiconductor material;
a multilayer structure with periodically alternating layers with different refractive indices, located on one side of the active layer;
electrical contacts - upper and lower, located on both sides of this active layer, for pumping this active layer with electric current;
characterized in that:
one of the electrical contacts - the upper one - is a thin metal film with a thickness of 3 nm to 30 nm, located directly above this active layer at a distance of not more than 70 nm from this active layer;
the layer thicknesses in this multilayer structure and the thickness of this upper electrical contact are selected so that this structure supports long-range propagation of radiation in a mode propagating along the surface of this structure, and the effective refractive index of radiation in this mode differs by no more than 1/100 from the indicator refraction of this radiation in the external environment.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014106057/28A RU2552386C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014106057/28A RU2552386C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2552386C1 true RU2552386C1 (en) | 2015-06-10 |
Family
ID=53294911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014106057/28A RU2552386C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2552386C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626269C2 (en) * | 2015-11-24 | 2017-07-25 | Дмитрий Владимирович Клинов | Method and device for excitating fluorescence by long-range surface waves on single-photon crystal |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5485277A (en) * | 1994-07-26 | 1996-01-16 | Physical Optics Corporation | Surface plasmon resonance sensor and methods for the utilization thereof |
| US5555255A (en) * | 1992-12-03 | 1996-09-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Surface-emitting laser diode |
| US6424418B2 (en) * | 1998-05-29 | 2002-07-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Surface plasmon resonance sensor apparatus using surface emitting laser |
| US20080266567A1 (en) * | 2007-04-24 | 2008-10-30 | Maksim Skorobogatiy | Plasmon excitation by the gaussian-like core mode of a photonic crystal waveguide |
| RU2361193C2 (en) * | 2004-05-19 | 2009-07-10 | Вп Холдинг, Ллс | Optical sensor with multilayered plasmon structure for improved detection of chemical groups through sers |
| WO2011052932A1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-05-05 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Semiconductor device |
-
2014
- 2014-02-19 RU RU2014106057/28A patent/RU2552386C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5555255A (en) * | 1992-12-03 | 1996-09-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Surface-emitting laser diode |
| US5485277A (en) * | 1994-07-26 | 1996-01-16 | Physical Optics Corporation | Surface plasmon resonance sensor and methods for the utilization thereof |
| US6424418B2 (en) * | 1998-05-29 | 2002-07-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Surface plasmon resonance sensor apparatus using surface emitting laser |
| RU2361193C2 (en) * | 2004-05-19 | 2009-07-10 | Вп Холдинг, Ллс | Optical sensor with multilayered plasmon structure for improved detection of chemical groups through sers |
| US20080266567A1 (en) * | 2007-04-24 | 2008-10-30 | Maksim Skorobogatiy | Plasmon excitation by the gaussian-like core mode of a photonic crystal waveguide |
| WO2011052932A1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-05-05 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Semiconductor device |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626269C2 (en) * | 2015-11-24 | 2017-07-25 | Дмитрий Владимирович Клинов | Method and device for excitating fluorescence by long-range surface waves on single-photon crystal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5374772B2 (en) | Optoelectronic device and manufacturing method thereof | |
| Siddharth et al. | Near ultraviolet photonic integrated lasers based on silicon nitride | |
| Fujita et al. | Recent progress in terahertz difference-frequency quantum cascade laser sources | |
| JP6506663B2 (en) | Quantum cascade laser | |
| US7499480B2 (en) | Photonic crystal structure and surface-emitting laser using the same | |
| JP6559000B2 (en) | Quantum cascade laser | |
| Wu et al. | Terahertz plasmonic laser radiating in an ultra-narrow beam | |
| US7583712B2 (en) | Optoelectronic device and method of making same | |
| US10666017B2 (en) | Optoelectronic device based on a surface-trapped optical mode | |
| Danielewicz et al. | Hybrid output mirror for optically pumped far infrared lasers | |
| JP2017050308A (en) | Quantum cascade laser | |
| Rauter et al. | Electrically pumped semiconductor laser with monolithic control of circular polarization | |
| Wunderer et al. | Single-frequency violet and blue laser emission from AlGaInN photonic integrated circuit chips | |
| Zhao et al. | Unidirectional emission of GaN-on-Si microring laser and its on-chip integration | |
| TW550868B (en) | Semiconductor laser with lateral light confinement by polygonal surface optical grating resonator | |
| RU2552386C1 (en) | Semiconductor radiation source built around long-range surface plasmon | |
| Ahn et al. | Enhanced light output power of quantum cascade lasers from a tilted front facet | |
| Yang et al. | Self-selection mechanism of Fabry-Pérot micro/nanoscale wire cavity for single-mode lasing | |
| Lloyd-Hughes et al. | Coupling terahertz radiation between sub-wavelength metal-metal waveguides and free space using monolithically integrated horn antennae | |
| Hong et al. | Monolithic high-index contrast grating mirror for a GaN-based vertical-cavity surface-emitting laser | |
| JP7093220B2 (en) | Quantum cascade laser | |
| Kaur et al. | Group III–V element behaviour as a gain material in nano-lasers | |
| Chen et al. | Characterization of plasmonic nanolasers in spatial, momentum, and frequency spaces | |
| Schmidt‐Grund et al. | Coherent Polariton Modes and Lasing in ZnO Nano‐and Microwires | |
| Shchukin et al. | Thermally stable surface-emitting tilted wave laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200220 |