Интегральный полупроводниковый лазер-усилитель

Интегральный полупроводниковый лазер-усилитель

Реферат

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно высокомощные одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах. Сущность изобретения: в интегральном полупроводниковом лазере-усилителе, состоящем из задающего лазера и оптического усилителя, вывод излучения распределен по поверхности оптического усилителя в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателем на одной из ее границ и области, прозрачной для вывода излучения, расположенной на пути отраженного выводимого сигнала, обеспечивающих не только вывод части усиленного излучения, но и прохождение оставшейся ее части дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инжекционным током области усиления. 16 з. п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к высокомощным одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источникам излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра (красного, зеленого и синего излучения) за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах, используется в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования.

Известен ряд типов мощных многоэлементных лазеров, таких как лазерные линейки и решетки с торцевым излучением [1 - 3], а также лазерные линейки и решетки с поверхностным излучением [4 - 10].

Несмотря на наличие больших уровней выходных мощностей, они обладают одним очень существенным недостатком: излучения каждого из отдельных лазерных диодов, входящих в состав линейки или решетки полупроводниковых лазеров не взаимосвязанных между собой. Другими словами, суммарное излучение линейки или решетки происходит путем некогерентного сложения интенсивностей отдельных излучающих диодных лазеров. Кроме того, как правило, излучение последних многомодово, что в совокупности с указанной некогерентностью между ними определяет их низкие пространственно спектральные характеристики.

Недостатками этих типов лазеров является то, что при наличии больших уровней мощностей они не обладают одномодовым (не говоря уже об одночастотном) режимом работы и, следовательно, не имеют дифракционно расходящегося выходного излучения, желательного для большинства применений.

Известен ряд типов одномодовых, в том числе одночастотных, лазеров типа мастер лазер-усилитель мощности в интегральном исполнении [1 - 14], которые отличает высокое качество излучения, имеющего дифракционную расходимость, одномодовый и/или одночастотный режимы работы.

Однако в сравнении с приведенными выше многоэлементными лазерами, они обладают значительно меньшими уровнями мощностей выходного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является интегральный полупроводниковый лазер-усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнены задающий лазер с полосковой активной областью генерации шириной b, оптический резонатор, отражатели, оптический усилитель, содержащий расширяемую область усиления от ширины b до ширины f, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления паразитных излучений, причем полосковая активная область генерации и расширяемая область усиления оптически взаимосвязаны при помощи единого волновода [12([3]-см.с. 41)]).

Основные особенности конструкции интегрального полупроводникового лазер-усилителя (ИПЛУ) могут быть пояснены с помощью фиг. 1, где схематически дано аксонометрическое изображение известного одномодового и одночастотного полупроводникового квантового излучателя с дифракционной расходимостью выходного излучения (см. фиг. 1 на с.2053 в [12([3]-см.с.410]).

ИПЛУ в единой монолитной конструкции, выполненной в полупроводниковой многослойной гетероструктуре 1, помещенной на подложке 2, объединяет маломощный одночастотный задающий лазер 3 (мастер-лазер) с оптическим усилителем мощности 4. Задающий лазер 3 состоит из полосковой активной области генерации (ПАОГ) 5 шириной b = 4 мкм, ограниченной с торцевых сторон оптического резонатора (ОР) 6 распределенными брегговскими отражателями (РБО) 7, причем с внешней стороны РБО 7 имеет больший коэффициент обратного отражения, а со стороны, граничащей с оптическим усилителем мощности 4, РБО 7 имеет меньший коэффициент обратного отражения.

Оптический усилитель мощности 4 выполнен в той же полупроводниковой гетероструктуре 1, как продолжение задающего лазера 3, в форме расширяемой области усиления (РОУ) 8 длиной 2 мм. Расширение выполнено от b = 4 мкм до f = 250 мкм. Усилитель заканчивается средством вывода усиленного излучения в виде просветленной сколотой грани гетероструктуры 1, для чего на эту грань нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 9 с глубоким просветлением R 510^-4. Выходная апертура усилителя 4 равна 250 мкм.

Оптическая взаимосвязь между задающим лазером 3 и оптическим усилителем мощности 4 обусловлена наличием в гетероструктуре 1 единого волновода, включающего активный слой 10, часть которого относится к задающему лазеру 2 (ПАОГ 5), часть к оптическому усилителю 4 (РОУ 8).

Кроме того, в конструкции ИЛПУ предусмотрены средства, обеспечивающие подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала, способные сорвать одномодовый режим его работы. Ими в [12([3]-см.с.41)]) являются те же антиотражающие покрытия 9, нанесенные на торцевую выходную грань оптического усилителя 4.

Омические контакты 11, 12, размещены на поверхности единого волновода, а именно на поверхности ПАОГ 5 - омический контакт 11, и на поверхности РОУ 8 - омический контакт 12, а омический контакт 13 нанесен на подложке 2.

Достоинством данного ИПЛУ является то, что, в сравнении с известными мезаполосковыми лазерными диодами [15], получено не только повышение мощности выходного излучения, но и дифракционно ограниченное излучение при сохранении одномодового и одночастотного режима его работы. Уровни мощности в непрерывном режиме работы для таких ИПЛУ составляют единицы ватт, в то время как для полосковых лазерных диодов всего доли ватта.

Однако для ряда применений требуется значительно большие выходные мощности излучения - десятки, сотни ватт и более. Кроме того, выходное излучение ИПЛУ обладает очень большой астигматичностью - размеры тела его свечения равны 1250 мкм, что создает определенные трудности при передаче получаемого излучения при его различных использованиях. =Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен ИПЛУ, в котором в задающем лазере полосковая активная область генерации по крайней мере одна, в оптическом усилителе расширяемая область усиления по крайней мере одна и выполнена длиной, меньшей длины оптического усилителя, дополнительно введена полосковая область усиления шириной f, соединенная с расширяемой областью усиления через первое средство вывода излучения и состоящая по крайней мере из одной ячейки усилителя, составляющей по крайней мере одну линейку усиления, ячейка усиления ограничена с противоположной стороны аналогичным первому средством вывода излучения, каждое из данных средств вывода выполнено в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению ко входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки, при этом введен угол , , образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетеростурктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемой в диапазоне (/2)-arcsin(1/n) < < (/2)+arcsin(1/n), , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также введен угол , , образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемый в диапазоне (1/2)arcsin(1/n) < < (/2)-(1/2)arcsin(1/n), , дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемым потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, в области прозрачной для вывода излучения, ограниченной дном выемки, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящем от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,95 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце выемки в предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке обратно пропорционально потоку энергии P_вх, - далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства, отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.

Для обеспечения одномодового и/или одночастотного режима работы возможны различные варианты выполнения отражателей оптического резонатора задающего лазера: один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговского зеркала.

оптический резонатор выполнен в виде распределенной обратной связи.

Для расширения функциональных возможностей и упрощения технологического изготовления в оптическом усилителе в усиливающей области, содержащей расширяемую область усиления, начиная от входа до начала расширения выполнена полосковая часть области усиления шириной b.

Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки и получения различных направлений вывода предложены различные варианты: при непрозрачной для выходного излучения подложке в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ), превышающую отношение 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5 - 100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в введенном слое.

при выводе излучения по нормали к слоям гетероструктуры в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол выбран равным /2 , а угол выбран равным /4. .

для снижения потерь в предшествующем случае в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения задающего лазера, распространяющегося во время работы устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоев эмиттера и прилегающего к нему полупроводникового слоя; для вывода излучения по нормали к плоскости слоев гетероструктуры, в частном случае, по нормали к поверхности подложки, и при исключении переотражений в случае плоской поверхности вывода излучения, наклонной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2, , а) при выборе угла , , меньшим /4, , угол задан соотношением n sin{-[(/2)-2]} = sin, , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения; б) при выборе угла , , большим /4, , угол задан соотношением n sin{-[2-(/2)]} = sin, , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В следующем случае для уменьшения паразитных отражений и переотражений предложено по периметру активных областей по крайней мере оптического усилителя средства подавления паразитных излучений выполнять в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны боковых границ активных областей излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами внутреннего отражения к преимущественному направлению подаваемых паразитных излучениям и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значений не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

Причем в канавки введен материал, поглощающий излучение, и предложено в качестве него выбрать полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) излучения задающего лазера, генерируемого во время работы устройства, при этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

Для достижения более высокой плотности рас положения областей излучения в водном многолучевом лазере сформированы различные варианты двумерной площади тела свечения. При этом возможно при фазированном сложении достигнуть значительного сужения диаграммы направленности суммарного излучения и плотности мощности (выше суммарной) в дальнем поле.

В одном случае полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающего по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающего внешне боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления.

В другом случае сформированы по крайней мере две идентичные параллельно расположенные последовательности полосковой активной области генерации, усиливающей области, содержащей по крайней мере расширяемую область усиления, и линейки усиления, причем полосковые активные области генерации помещены на расстояниях, превышающих оптическое взаимодействие между ними, и ограничены едиными отражателями с каждой стороны соответственно, а средства подавления паразитных излучений расположены по крайней мере между боковых сторон полосковых активных областей генерации и в виде единой области со стороны всех конечных выемок линеек усиления.

При этом предложено для фазирования излучения в любой линейке усиления по крайней мере на одной ячейке усиления формировать автономный омический контакт.

в параллельно расположенных линейках усиления а) на полосковых частях каждой области усиления, содержащей расширяемую область усиления, сформированы автономные омические контакты, б) по крайней мере на одной ячейке усиления каждой линейки усиления сформированы автономные омические контакты.

Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении новой и оригинальной конструкции лазер-усилителя типа бегущей волны с поверхностным излучением, в которой с одним спектральным составом области выходного излучения заданным образом распределены в пределах линейной или двумерной площади тела свечения.

Впервые неочевидным путем осуществлен вывод части усиленного излучения из оптического усилителя ИПЛУ при помощи предложенных средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с фронтально размещенными отражателями и областей, прозрачных для выводимого излучения. При этом указанные средства обеспечивают прохождение оставшейся части (обычно, меньшей) этого же усиленного излучения в последующий участок усиления, для которого эта оставшейся часть излучения является входным сигналом (аналог сигнала задающего лазера 3 для РОУ 8). Последний в этом участке усиления вновь усиливается, возможно до уровня насыщения, и вновь выводится через следующее аналогичное средство вывода излучения, и так процесс поочередного усиления и вывода излучения может быть повторен требуемое число раз.

Следовательно, нами реализовано значительное увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе за счет обеспечения периодического "сброса" части излучения и усиления оставшейся части, причем предложение ново, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Ясно, что для обеспечения на всей длине области усиления вывода дифракционно ограниченного одномодового и/или одночастотного когерентного излучения необходимо исключить возможность возникновения самовозбуждаемой генерации. Предложенные для этой цели средства подавления паразитных излучений, средства рассеяния излучений, выполнение областей, прозрачных для выводимых излучений позволили создать различные модификации предложенного ИПЛУ, составляющие единый общий изобретательский замысел.

Все это обеспечивает значительное увеличение выходной мощности, дает возможность при подстройке токов накачки в соответствующих ячейках усиления достигнуть сужения диаграммы направленности суммарного излучения, а также управления ею вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений и снижение астигматизма от областей излучения ИПЛУ при возможности вывода излучения практически со всей поверхности оптического усилителя, отводов больших количеств выделяемого тепла от активных областей ИПЛУ и относительной технологической простоты его изготовления.

Настоящее изобретение будет более понятно из фиг. 2 - 8.

На фиг. 2 схематически изображен вид сверху конструкции предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 3 - продольный разрез А-А предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 4 - 6 - фрагменты продольного разреза А-А предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 7 - 8 - конструкции предлагаемого ИПЛУ с двумерной интегральной полосковой областью усиления различной топологии: в виде "змейки" фиг. 7, в виде параллельно расположенных ПАОГ, РОУ, линеек усиления фиг. 8.

Предложенное устройство ИПЛУ фиг. 2 и 3 состоит из следующих основных частей, выполненных на едином волноводе: заданного одночастотного мастер-лазера 3 с РБО 7 и оптического усилителя 4, в котором в начале расширяемой области усиления 8 помещен полосковый участок активной области, условно названный нами предусилителем 14, плавно переходящий в расширяемую область усиления, соединенную с полосковой областью усиления (ПОУ) 15 через средство вывода части усиленного излучения. В ПОУ 15 вдоль ее длины регулярно расположены те же средства излучения, которые выполнены в виде выемок 16 с отражателями 17, помещенными на фронтальной наклонной грани каждой выемки по отношению ко входу в усилитель. Средства вывода излучения содержат также области, прозрачные для выводимого излучения 18, которые на фиг.3 обозначены пунктиром. ПАОГ 5 выполнена шириной b, предусилитель 14 - шириной b, РОУ 8 выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, ПОУ 15 - шириной f. Выемки 16 имеют глубину x_o, определяемую в рассматриваемом случае от поверхности гетероструктуры 1 (в общем случае - от поверхности, противоположной поверхности вывода излучения). Выемки 16 ограничивают с двух сторон каждую ячейку усиления 19, последовательность которых образует линейку усиления 20 ПОУ 15. Выполнены подавляющие паразитное излучение области 21 и 22, поглощающие, либо рассеивающие с дальнейшим поглощением самопроизвольные паразитные отражения и переотражения. Расположены они непосредственно за последней (по ходу усиления) выемкой 16 (торцевые подавляющие области 21) и по обе стороны от всей области усиления оптического усилителя 4 с предусилителем 14 и вокруг мастер-лазера 3 (боковые подавляющие области 22) на расстоянии, на котором боковой спад интенсивности излучения из активных областей усиления достигает не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

На продольном разрезе А-А гетероструктуры 1 и подложки 2 ИПЛУ (фиг. 3) показано, что гетеростурктура 1 состоит из активного слоя 10, двух окружающих его эмиттеров 23, 24, контактного полупроводникового слоя 25, помещенного на эмиттере со стороны противоположной расположению подложки, и омических контактов 11, 12, 13, где омический контакт 12 является омическим контактом ко всему оптическому усилителю 4, включая все его части, а именно к предусилителю 14, РОУ 8, РОУ 15. В ряде случаев возможно автономное выполнение омического контакта 26 к предусилителю 14.

Активный слой 10 в реальных гетероструктурах 1, в частности, с напряженными квантово-размерными подслоями, например [16], может включить несколько квантово-размерных активных подслоев в разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих в эмиттерами 23, 24 соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

Грани выемки 16 могут быть покрыты упрочняющими защитными покрытиями 27, а фронтальная по отношению в распространяемому усиливаемому излучению дополнительно покрыта высокоотражающим покрытием 28 (см. фиг. 3 - 6).

Для осуществления вывода излучения через области, прозрачные для выводимости излучения 18, а именно слои гетероструктуры 1 и подложку 2, расположенные по пути прохождения отраженного усиленного излучения от отражателя 17 выемки 16, в подложке 2 выполнены поверхности вывода 29, свободные от омического контакта 13 и покрытые многослойными диэлектрическими антиотражающими покрытиями 9. На фиг. 4 - 6 на фрагментах разрезов изображены различные варианты размещения отражателей 17 выемок 16 и поверхностей вывода 29, выполненных либо на поверхности подложки 2 (фиг. 4, 5), либо в углублениях в подложке 2 (фиг. 6). При этом поверхности вывода 29 могут помещены под различными углами к плоскости слоев гетеростурктуры 1 в зависимости от положения отражателя 17, т.е. от величины угла (образован направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления) и угла (образован нормально, мысленно проведенной в плоскости активного слоя, к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки).

На фиг. 5 показан дополнительно введенный просветляющий слой 30, помещенный между эмиттером 24 и подложкой 2.

На фиг. 7, 8 изображены поворотные отражатели 31, помещенные на поворотной ячейке усиления 32, соединяющей две смежные последовательно расположенные линейки усиления 20, использованные для создания двумерной интегральной ПОУ 15 с поворотными ячейками 32 в предположенном ИПЛУ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение из задающего лазера 3 (см. фиг. 2) через селективный РБО 7 вводится по полосковому волноводу предусилителя 14 в РОУ 8, в которой усиливается дифракционно расходящееся излучение. Величина усиленного излучения может быть рассчитана с помощью известных методик для определенной гетероструктуры 1 известным образом при знании величины тока, приложенного к РОУ 8, а также длины РОУ 8. Усиленное до заданной величины (P_o) излучение, попадая на фронтальную наклонную зеркальную грань выемки 16 - отражатель 17, отражается от него и выводится из активного слоя 10. (В данном частном случае, изображенном на фиг. 2 при углах = /2 и = /4 лучи отражаются под прямым углом в сторону подложки.) Однако, так как выемка 16 глубиной х₀ специально рассчитана и сформирована из активного слоя 10 выводится на все излучение, а только его часть - P_вых. Оставшаяся, обычно меньшая часть проходит непосредственно под дном выемки 16 и излучение P_вх (обычно не менее 10^-3) попадает в первую ячейку усиления 19 ПОУ 15. Здесь за счет приложенного к этой ячейке 19 тока накачки, излучение в конце нее вновь может быть усилено практически до насыщения (в зависимости от длины ячейки 19 и силы приложенного тока), вновь отражается от отражателя 17 следующей выемки 16 и выводится из активной области ячейки усиления 19 и т.д.

На фиг. 3 на продольном разрезе, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1, показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 10. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 10, вдоль оптической оси симметрии, а спадающие хвосты распределения захватят эмиттеры 23 и 24.

Расчет распределения интенсивности излучения I(x) для конкретной гетероструктуры 1 при заданных составах и толщинах всех ее слоев в настоящее время не представляет трудностей (см., например, [17]). Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки через сечение, нормальное к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен kP_o= k_oI(x)dx = _xI(x)dx, , где P_o - полный поток мощности излучения через гетероструктуру 1.

При выбранном значении k, равном, например 0,1, можно найти x₀ т.е. то расстояние, на которое дно выемки 16 должно быть отдалено от поверхности контактного слоя 25 или, что тоже самое, от поверхности гетероструктуры 1. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирает в диапазоне (0,99 - 0,001) P₀.

Указанный диапазон изменения k= 0,99-0,001 может быть также обоснован известными данными [18] и проведенными оценками.

Поток энергии, равный (1-k)P₀=P_вых, будет выведен из гетероструктуры 1 в направлении подложки 2, за вычетом потерь, в основном дифракционных, связанных с таким выводом. Эти потери будут пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателем выемки, превышает значение длины волны генерируемого излучения, распространяемого в гетероструктуре. Это означает, что практически для используемых гетероструктур указанное выше условие выполнимо.

Доля полного потока, равная kP₀, за вычетом потерь, связанных с вхождением этой части излучения в моду излучения (процесс формирования моды в следующей ячейке генерации) является входным потоком мощности P_вх, поступающим в следующую ячейку генерации 11. Из проведенных оценок определено, что основную долю составляют дифракционные потери, связанные с процессом формирования моды, которые зависят от величины k. Величина этих потерь варьируется от нескольких процентов P₀ до значений, не превышающих 0,25 P₀.

Перешедшая в следующую ячейку 19 доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя 17 выемки 16, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке было обратно пропорционально величине P_вх.

Обращаем внимание на то, что отраженная часть выходного потока мощности должна быть выведена из гетероструктуры 1 с минимальными обратными отражениями в активный слой 10. Обратно отраженные паразитные излучения могут привести к самовозбуждению областей генерации в усиливающих областях, т.е. к нарушению одномодового (одночастотного) характера усиленного излучения. Для решения этого вопроса могут быть предусмотрены различные конструктивные меры, относящиеся как к расположению выемок, т.е. к углу , к наклону отражателя, т. е. к углу , к областям, прозрачным для выводимого излучения 18, включая расположения поверхностей вывода 29 излучений, т.е. к углу , так и к областям подавления паразитных излучений 21 и 22.

Рассмотрим влияние положения отражателей 17 и поверхностей вывода 29 излучения, а также конструкции областей, прозрачных для выводимого излучения 18, на реализацию режима усиления в ПОУ 15 при увеличенной эффективной длине усиления излучения, а также на снижение вероятности возникновения самовозбуждаемых областей генерации в усиливающих областях.

Нами определено, что для реализации необходимых условий усиления необходимо, чтобы направления ребер выемок были направлены либо перпендикулярно по отношению к направлению боковых поверхностей ПОУ 15, либо под некоторым углом 90 ограниченным диапазоном значений (/2)-arcsin(1/n) < < (/2)+arcsin(1/n), где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а наклон отражателей ограничен диапазоном значений углов (1/2)arcsin(1/n) < < (/2)-(1/2)arcsin(1/n), где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Эмпирически подтверждено, что при выбранном нами диапазоне наклона ребер выемки 16 и наклона отражателей 17 возможна реализация вывода излучения из оптического усилителя 4, значительное уменьшение рассеяния паразитно отраженных излучений, что в совокупности с условиями расположения дна выемки позволяет наиболее оптимально реализовать достаточно эффективный выход части излучения и его введение в следующую ячейку для дальнейшего усиления.

Для случая, когда длина волны выводимого излучения [мкм] < 1,24/Eg, где Eg [эВ] - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена по крайней мере из области вывода излучения.

В этом случае при выращивании гетероструктуры 1 между подложкой и эмиттером может быть выращен дополнительный прозрачный полупроводниковый слой толщиной в пределах 5 - 100 мкм. Известно, что условие прозрачности отвечает требованию [мкм] > 1,24/(E_g+), где E_g[эВ] - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, причем следует выбирать не менее 0,1 эВ.

Выходное излучение может быть направлено как наклонно, так и перпендикулярно к плоскостям слоев гетероструктуры 1.

Как сказано ранее, перпендикулярный вывод излучений обеспечивается в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, и выборе угла = /2, , а угла = /4. . Однако при этом возможно увеличение отражений от поверхностей слоев гетероструктуры и поверхности выхода излучения, в частном случае, о поверхности подложки 2, что крайне нежелательно (фиг. 4).

Как показали эксперименты для минимизации этого эффекта желательно на пути вывода отраженного излучения из активного слоя 10 гетероструктуры 1, например, между эмиттером 24 и подложкой 2 в многослойной гетероструктуре 1 желательно встраивать просветляющий полупроводниковый слой 30, оптическая толщина которого равна четверти длины волны выводимого излучения (фиг. 5). Просветляющие свойства слоя 15 определяются выполнением условия где n₁₅, n₄, n₂ - показатели преломления четвертьволнового просветляющего слоя 15, эмиттера 14 и подложки 2, соответственно. Аналогично такой слой может быть введен со стороны другого эмиттера при противоположном выводе излучения.

Также снизить эффект переотражений и паразитных излучений при направление выходного излучения по нормали к плоскостям слоев гетероструктуры 1, в частности, к подложке 2 при углах = /2 и /4 позволяет выбор определенного наклона плоской поверхности вывода излучения к плоскостям слоев гетероструктуры 1 (фиг. 6). Было выяснено, что для < /4 угол задан соотношением n sin{-[(/2)-2]} = sin, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а для угла > /4 угол задан соотношением n sin{-[2-(/2)]} = sin, , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В местах выхода лучей из подложки 2, свободных от металлических контактных слоев омического контакта 13, желательно наносить антиотражающие покрытия 9.

Для случая, когда подложка 2 непрозрачна для выходного излучения, вышеприведенные конструктивные решения остаются в силе, но при этом в местах выхода излучения подложка 2 должна быть удалена.

Как сказано ранее, для уменьшения обратно отраженных паразитных излучений нами выполнены области их подавления 21 и 22. Для этого в конце последней ячейки усиления 19 ПОУ 15, непосредственно после отражателя 17 конечной выемки 16 в гетероструктуре 1 создается торцевая область подавления паразитных излучений 21, а именно, либо область погл