Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер

Реферат

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно, одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения высокой мощности, которые применяются для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра. Сущность изобретения: в устройстве полупроводникового лазера, состоящем из полосковой активной области генерации с отражателями оптического резонатора, например, типа Фабри-Перо, выводы излучения распределены по поверхности ПАОГ в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателями на обеих ее гранях и прозрачной для вывода излучения области, расположенной на пути отраженных выводимых сигналов, обеспечивающих не только вывод части генерируемого излучения, но и прохождение оставшейся ее части для дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инжекционным током области. Кроме того, за счет различных вариантов исполнения тех же выемок стало возможным получением приборов с составным резонатором, а также лазеров, работающих в режиме синхронизации мод. 22 з.в.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источникам излучения высокой мощности, которые применяются 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 и для накачки твердотельных и волоконных лазеров.

Известен ряд типов полупроводниковых лазеров, обладающих одномодовым и/или одночастотным выходным излучением с дифракционно ограниченной расходимостью. Как правило, это полосковые полупроводниковые лазеры с резонатором Фабри-Перо, в которых за счет специальных конструкций активной области лазера реализуются условия существования одной, обычно нулевой, пространственной моды выходного излучения [1].

Основным фундаментальным ограничением преимущественного существования нулевой моды является ограничение ширины полосковой активной области генерации (ПАОГ). С увеличением ширины ПАОГ более 3-4 мкм резко возрастает конкуренция со стороны мод высокого порядка и контроль одномодового режима становится практически невозможным. Простое увеличение длины резонатора L в указанных лазерах лишь ухудшает ситуацию, так как при этом уменьшается КПД лазера.

Замена оптического резонатора Фабри-Перо на резонатор с распределенными брегговскими отражателями (РБО), способствует возбуждению одной продольной частоты генерации (одночастотный режим), но не препятствует переходу на многомодовый режим при превышении указанной выше ширины активной области полупроводникового лазера.

Ввиду того, что в полупроводниковом лазере существует предельная мощность разрушения поверхностей зеркал, равная примерно 10⁷ Вт/см², выходная мощность от одномодовых лазеров для указанной выше ширины активной области обычно не превышает 0,1 - 0,2 Вт в непрерывном режиме генерации [2].

В приборе, описываемом в работе [1] за счет точного подбора и контроля параметров диэлектрического волновода удалось достигнуть увеличения его ширины до 6-7 мкм и получить от одномодового полоскового полупроводникового лазера рекордные значения выходной мощности до 0,6 Вт.

В последние годы за счет использования специальной интегральной интегральной конструкции полупроводникового лазера типа лазер-усилитель [3] удалось увеличить апертуру полупроводникового лазера до 200-250 мкм, а выходную мощность в одной моде до 2 - 3 Вт.

Известны также мощные многоэлементные лазеры, такие как лазерные линейки и решетки с торцевым [4] и поверхностным излучением [5]. Однако всем им присущ один существенный недостаток - они не обладают одномодовым режимом генерации и, следовательно, дифракционно ограниченной расходимостью излучения.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является полупроводниковый лазер, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнена полосковая активная область генерации, оптический резонатор, отражатели, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления бокового суперлюминисцентного излучения [2].

Далее пояснены основные особенности конструкции такого полупроводникового лазера. Он выполнен в многослойной гетероструктуре, расположенной на подложке. Тонкий активный слой расположен между полупроводниковыми слоями с более широкой запрещенной зоной (эмиттерами) и является центральной частью диэлектрического волновода, в котором распространяется усиливаемое стимулированное излучение.

Оптический резонатор Фабри-Перо образован скалыванием пластины с гетероструктурой, при этом полученные отражатели перпендикулярны к плоскости активного слоя. Для формирования волновода, в котором возможно распространение только пространственной моды нулевого порядка с дифракционно ограниченной расходимостью излучения в гетероструктуре сформирована полосковая активная область генерации (ПАОГ) с контролируемой шириной полоска (обычно не более 3 -5 мкм) и контролируемой разностью эффективных показателей преломления для распространяющейся моды под полоском и вне его (обычно эта разность (3-8)10^-3. Конструктивно это обеспечено изготовлением ПАОГ в виде мезаполоски, с обеих сторон которой вытравлены слои гетероструктуры со стороны ее поверхности, не доходя до активного слоя 0,1 - 0,2 мкм. На боковые области мезаполоски и вытравленную поверхность нанесен диэлектрический изолирующий слой. Омические контакты нанесены на поверхность мезаполоски и на всю поверхность подложки соответственно.

Средством вывода излучения из полупроводникового лазера служат отражатели, заданный коэффициент отражения (пропускания) которых устанавливается путем нанесения соответствующих многослойных диэлектрических покрытий. Нежелательные потери, связанные с боковым суперлюминесцентным излучением, значительно снижаются с помощью средств их подавления. Таковыми являются ненакачиваемые током боковые области вне полоска и диффузионно рассеивающие излучение боковые грани полупроводниковой пластины полупроводникового лазера.

Основным недостатком известной конструкции полупроводникового лазера [2] является то, что выходная мощность при его работе в одномодовом режиме генерации ограничена значениями, как указывалось выше, обычно 0,1 -0,2 Вт [2], в лучшем случае для оптимизированной конструкции 0,6 Вт [1]. Увеличение ширины полосковой области свыше 4 - 6 мкм могло бы привести к увеличению выходной мощности, но из-за резко возрастающей конкуренции мод приводит к многомодовому режиму работы полупроводникового лазера со всеми его недостатками, которые, в первую очередь, ухудшают пространственно спектральные характеристики лазера. Это принципиальное ограничение.

Увеличение длины резонатора известного полупроводникового лазера не приводит к увеличению выходной мощности в одной моде, более того эффективность (КПД) работы такого лазера с увеличением его длины снижается.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины генерации излучения в оптическом резонаторе полупроводникового лазера при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а именно непрерывного, импульсного и режима синхронизации мод, 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 излучения полупроводникового лазера и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен полупроводниковый лазер, в котором в полосковой активной области генерации сформированы по крайней мере две ячейки генерации, составляющие по крайней мере одну линейку генерации лазерного излучения, ячейки ограничены по крайней мере с одной стороны средством вывода излучения, выполненным в виде дополнительно введенными выемкой с двумя отражателями и областью, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатели помещены на наклонных поверхностях выемки, при этом введен угол , образованный направление ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой активной области генерации, выбираемой в диапазоне (/2)-arcsin(1/n)<<(/2)+arcsin(1/n) , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также по крайней мере для одного отражателя выемки введен угол , образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью указанного отражателя выемки с нормалью к поверхности указанного 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, задаваемом потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки генерации, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,99 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области генерации, а полное усиление в указанной ячейке выбрано обратно пропорциональным 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, введена поверхность вывода излучения по крайней мере одной стороной примыкающая к внешней выводной поверхности.

Для снижения нежелательных потерь в полупроводниковом лазере предложен вариант, при котором оба отражателя оптического резонатора выполнены с коэффициентом отражения, близким к 100%.

Для получения конструкции полупроводникового лазера с составным(и) резонатором(ами) предложено по крайней мере в одной из выемок, плоскость одного из ее отражателей помещать перпендикулярно к плоскости активного слоя, а угол выбрать равным /2.

Для обеспечения не только одномодового, но и одночастотного режима работы устройства возможны различные варианты выполнения отражателей оптического резонатора лазера: один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговского зеркала; оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде распределенных брегговских зеркал.

Предложены варианты конструкции полупроводникового лазера, которые могут быть легко интегрированы в фотонные интегральные схемы. В таких случаях один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде перпендикулярно расположенного к плоскости активного слоя отражателя выемки, который направлен своей отражающей стороной к другому отражателю оптического резонатора.

оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде перпендикулярно расположенных к плоскости активного слоя отражателей двух выемок и их отражающие плоскости направлены навстречу друг другу.

Как варианты получения режима синхронизации мод полупроводникового лазера, при котором лазер генерирует с определенной периодичностью сверхкороткие импульсы излучения, предложено по крайней мере на поверхности одной из ячеек генерации со стороны гетероструктуры удалять омический контакт; по крайней мере в одной из ячеек генерации удалять контактный полупроводниковый слой.

Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки предложены различные варианты: на поверхностях вывода излучения нанесены антиотражающие покрытия; 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 генерации лазерного излучения, 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; в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ), 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.

Перпендикулярный к плоскости активного слоя гетероструктуры (к плоскости подложки, в случае их параллельности) полупроводниковой пластины вывод отраженных от отражателей выемок лучей обеспечивают варианты: в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол выбран равным /2 , , а угол выбран равным /4 ,; в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2 , , и при выборе угла меньшим /4 угол задан соотношением nsin{-[(/2)-2]} = sin , где n -показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения; в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2 , и при выборе угла большим /4 угол задан соотношением nsin{-[2-(/2)]} = sin , где n -показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Для снижения потерь в полупроводниковом лазере, связанных с наличием нежелательных боковых суперлюминесцентных излучений (особенно эти потери могут быть значительны для конструкции полупроводникового лазера, образующего двумерную поверхность генерации лазерного излучения) предложены возможные варианты средств их подавления: средства подавления бокового суперлюминесцентного излучения выполнены в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны по крайней мере одной из боковых границ полосковых активных областей генерации излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых суперлюминесцентных излучений 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; в канавки введен материал, поглощающий излучение; поглощающим излучение материалом выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяющегося во время работы устройства, при этом ширина канавок выбрана по крайне мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

Для достижения более высокой плотности расположения областей излучения в одном 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.

Линейки генерации могут быть выполнены различной конфигурации: полосковая активная область генерации выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения, помещенных 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 внешние боковые стороны полосковой активной области генерации указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой активной области генерации с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления боковых суперлюминесцентных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части одной из боковых сторон линеек генерации; по крайней мере для трех последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения отражатель оптического резонатора в начале первой и в конце последней линейки генерации выполнен единым.

Предложены также различные "решетки" генерации: по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг к другу и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптических резонаторов; по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг другу на расстояниях оптического взаимодействия и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптического резонатора.

Для первого варианта предложенной решетки для осуществления фазированности выходного излучения в каждой линейке генерации по крайней мере для одной из ее ячеек генерации, сформирован автономный омический контакт.

В ряде случаев для подержания когерентности излучения при большой длине линеек генерации либо на больших площадях последовательно расположенных линеек по крайней мере на одной ячейке усиления следует формировать автономный омический контакт.

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

Впервые неочевидным путем осуществлен вывод части генерируемого излучения из полупроводникового лазера при помощи предложенных дискретно распределенных внутри оптического резонатора средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с двумя отражателями в каждой, и областей, прозрачной для выводимого излучения. Оставшаяся часть генерируемого излучения в оптическом резонаторе полупроводникового лазера обеспечивает не только инверсную населенность в нем, но и является тем фактором, который определяет принадлежность многочисленных лучей, излучающих с поверхности полупроводникового лазера к одной и той же волноводной моде, распространяющейся в многолучевом полупроводниковом лазере.

Нами реализована конструкция интегрального многолучевого полупроводникового лазера, которая за счет увеличенной площади тел свечения и достигнутого повышения во много раз эффективной длины генерации излучения в оптическом резонаторе позволяет значительно увеличить выходную мощность излучения, сохраняя при этом один и тот же спектральный состав для каждого из выходных лучей и обеспечивая возможность их фазированного сложения за счет регулировки тока накачки ячеек генерации. При этом наблюдалось снижение астигматизма суммарного излучения от всей излучающей области полупроводникового лазера.

Кроме того, варьирование размеров выемок, а также введение других модификаций элементов полупроводникового лазера, приводящих к созданию областей поглощения лазерного излучения внутри полосковой активной области генерации, позволило в предложенных конструкциях полупроводникового лазера реализовать его работу в режиме синхронизации мод, т.е. в режиме генерации сверхскоростных импульсов.

При этом все предложенные модификации элементов полупроводникового лазера не нарушают единства общего изобретательского замысла.

Настоящее изобретение будет более понятно из фиг.1-5.

На фиг.1 схематически изображен вид сверху конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо; на фиг.2 - продольный разрез А-А предлагаемого полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо; на фиг.3 - вид сверху конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с РБО; на фиг. 4 - фрагменты с одной и двумя выемками, содержащими отражатель, перпендикулярно расположенный к плоскости активного слоя; на фиг. 6 - фрагмент двух последовательно расположенных смежных линеек генерации с поворотным отражателем; на фиг. 7, 8 - конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с двумерной интегральной полосковой областью усиления различной топологии: с последовательно расположенными линейками генерации и одним отражателем оптического резонатора (фиг. 7); с параллельно расположенными равновеликими линейками генерации, ограниченными двумя отражателями оптических резонаторов (фиг.8).

Предложенное устройство полупроводникового лазера (см. фиг.1,2) состоит из гетероструктуры 1, расположенной на подложке 2 и содержащей активный слой 3. на продольном разрезе А-А гетероструктуры 1 и подложки 2 полупроводникового лазера (см. фиг.2) показано, что гетероструктура 1 состоит из активного слоя 3, двух окружающих его эмиттеров 4 и 5 и контактного полупроводникового слоя 6, помещенного на эмиттере 5 со стороны, противоположной расположению подложки 2.

Активный слой 3 в реальных гетероструктурах 1, в частности, с напряженными квантоворазмерными подслоями, описываемыми, например, в работе [6], может включать несколько квантоворазмерных активных подслоев с разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих с эмиттерами 4 и 5, соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

В гетероструктуре сформирована ПАОГ 7, расположенная между отражателями 8 оптического резонатора 9. В случае, изображенном на фиг.1, оптическим резонатором является резонатор Фабри-Перо, а отражателями 8 служат зеркальные грани полупроводникового кристалла с нанесенными на них многослойными отражающими диэлектрическими покрытиями 10 и с коэффициентом отражения, близким к 100%. ПАОГ 7 разделена на ячейки генерации 11. Это разделение осуществляется формируемыми в ПАОГ 7 выемками 12 с двумя отражателями 13, помещенными на наклонных гранях каждой выемки 12 и служащими для отражения усиливаемого и генерируемого лазерного излучения. Отражателями 13 могут являться также многослойные отражающие диэлектрические покрытия 10. Кроме того, желательно, чтобы грани выемки были покрыты упрочняющими защитными покрытиями 14. В данном случае, изображенном на фиг.1, 2, углы выбраны равными /2 , а углы равными /4 . Выемки 12 находятся на равных расстояниях друг от друга, что определяет равные длины ячеек генерации 11, за исключением первой и последней, граничащих со 100% отражателями 8 оптического резонатора 9 и имеющие в два раза меньшую длину по сравнению с остальными ячейками 11.

В случае, изображенном на фиг. 2, на пути выхода отраженных от отражателей 12 выемок 12 излучений между ближайшим к подложке 2 эмиттером 4 и самой подложкой 2 расположен просветляющий полупроводниковый слой 15 толщиной, равной четверти длины волны генерации данного лазера. Просветляющие свойства слоя 15 определяются выполнением условия - n₁₅ = Nn₄n₂, где n₁₅, n₄, n₂ -показатели преломления четвертьволнового просветляющего слоя 15, эмиттера 4 и подложки 2 соответственно. В местах выхода излучений из подложки 2 сформированы поверхности вывода излучения 16. На поверхностях ПАОГ 7 и подложки сформированы омические контакты 17 и 18 соответственно. На поверхностях вывода излучения омический контакт 18 удален и нанесено антиотражающее покрытие 19.

На фиг.3 изображены распределенные бреговские отражатели (РБО) 20 оптического резонатора 9.

На фиг. 6 изображены поворотные отражатели 21, помещенные на поворотной ячейке генерации 22, соединяющей две смежные линейки генерации 23, которые состоят из ячеек генерации 11, использованные для создания двумерной интегральной ПАОГ 7, а также изображены области подавления суперлюминесцентного излучения 24.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При присоединении питающих напряжений к омическим контактам 17 и 18 (см. фиг.1,2) и протекании токов инжекции через ПАОГ 7 гетероструктуры 1, превышающих пороговые токи генерации, в объеме ПАОГ7 полупроводникового лазера, ограниченной оптическим резонатором 9, известным образом возникает распространяющееся от одного отражателя 8 оптического резонатора 9 к другому отражателю 8 и обратно электромагнитный поток лазерного излучения. Если в прототипе вывод излучения осуществляется через зеркальные грани резонатора, одна из которых по крайней мере имеет коэффициент отражения R, меньший единицы, то в предложенном устройстве оба отражателя 8 могут быть практически 100% отражающими R1 = R2 = 1, а вывод осуществляется через поверхность прибора с помощью специально введенных, дискретно распределенных на поверхности гетероструктуры 1 по длине оптического резонатора 9 средств вывода излучения, состоящих из выемок 12 с отражателями 13 на наклонных гранях выемок 12 и областей, прозрачных для выводимого излучения, содержащих, в том числе, поверхности вывода излучения 16.

Для конфигурации выемок 12 с углами = /2 и = /4 (см. фиг.2) излучение будет отражаться от отражателей 13 выемок 12 под прямыми углами в направлении подложки 2. Вывод излучения будет перпендикулярен в случае плоской поверхности вывода излучения 16, расположенной параллельно плоскостям слоев гетероструктуры 1 и подложки 2 (см. фиг.2).

На пути выходящих лазерных лучей, испытывающих полное внутреннее отражение от отражателей 13 выемки 12 в большинстве практических случаев следует предусмотреть возможно малое их поглощение и обратное отражение. Это обеспечивается удалением омических контактов 18 и нанесением антиотражающих покрытий 19 в местах падения лучей, т.е. на поверхности вывода излучения 16, а также введением четвертьволнового просветляющего полупроводникового слоя 15.

Для случая, когда длина волны генерации полупроводникового лазера (мкм) < 1,24/Eg, где E_g (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена 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.

Одной из отличительных особенностей средств вывода излучения - выемок 12 в сравнении, например, с конструкцией поверхностных лазерных решеток, описываемых в работе [5], является то, что путем отражения от отражателей 13 выемки 12 из ПАОГ 7 выводится не весь поток стимулированного излучения, распространяющийся в каждом из дух встречных направлений вдоль ПАОГ 7, а лишь его часть. Оставшаяся часть излучения ниже дна выемки 12 переходит в соседнюю ячейку генерации 11, где она захватывается его волноводом и вновь усиливается, а после усиления в конце этой ячейки генерации 11 часть усиленного излучения вновь отражается от следующего отражателя 13, снова выводится, а часть вновь под дном выемки 12 переходит в следующую ячейку генерации 11 и таким образом процесс повторяется до достижения излучения грани отражателя 13 оптического резонатора 9. После отражения излучения от последнего указанный процесс повторяется, но уже при распространении излучения в обратном направлении.

Глубина расположения выемки 12 может быть определена величиной той относительной доли потока излучения, которая проходит в соседнюю ячейку генерации 11 и степенью полного усиления в следующей ячейке 11. На фиг.3 на продольном разрезе, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1, показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 3 пространственной моды излучения. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 3, вдоль оптической оси симметрии, а опадающие хвосты распределения захватят эмиттеры 4 и 5.

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, [7]). Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки 12 через сечение, нормальной к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен фиг.2) kP_o = kI(x)dx = I(x)dx , где P₀ -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 12 должно быть отдалено от поверхности контактного слоя 6 или, что тоже самое, от поверхности гетероструктуры 1. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирают в диапазоне (0,99-0,001)P₀.

Указанный диапазон изменения k может быть также обоснован известными данными [8] 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 допустимо/пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателями 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 11 доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя 13 выемки 12, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке 11 было обратно пропорционально величине P_вх.

Нами экспериментально было определено и подтверждено расчетами что для уменьшения боковых суперлюминесцентных излучений средства подавления бокового суперлюминесцентного излучения 24 желательно выполнять в виде канавок глубиной, не менее глубины расположения слоев гетероструктуры 1, со стороны по крайней мере одной из боковых границ ПАОГ 7, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых суперлюминесцентных излучений 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.

Как вариант в канавки может быть введен материал, поглощающий излучение, причем поглощающим излучение материалом может быть выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ) не более отношения 1,24 длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, при этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

В рассмотренном варианте устройства (см. фиг.2), как было сказано выше, выемки были помещены под углом = /2 , оба отражателя имели одинаковый наклон при = /4 . Однако в общем случае выемки могут быть направлены под углом , выбираемом в диапазоне (/2)-arcsin(1/n) << (/2)+arcsin(1/n) , где n - показатель преломления области, прозрачный для выводимого излучения, а отражатели могут быть наклонены под разными углами, но при выполнении условия, что хотя бы один из них будет наклонен под углом , который следует, как определено нами, выбирать в диапазоне (1/2)arcsin(1/n) << (/2)-(1/2)arcsin(1/n) , При этом выходные лучи лазерного излучения будут наклонены от нормали к слоям гетероструктуры 1 (подложки 2). Например, в случае = /2 в зависимости от угла угол наклона лучей к плоскости слоев гетероструктуры 1 (подложки 2) будет равен Обеспечить перпендикулярность вывода излучения по отношению к слоям гетероструктуры 1 (подложки 2) при углах =/2 и /4 позволяет выбор определенного угла наклона плоской поверхности вывода излучения 16 к плоскости слоев гетероструктуры 1 (см. 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 >