Полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковый оптический усилитель

Реферат

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно, высокомощные одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения, которые используются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования. Сущность изобретения: в полупроводниковом оптическом усилителе вывод излучения распределен на поверхности области усиления в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателями на ее гранях и области, прозрачной для выводимого излучения, обеспечивающих не только вывод части усиленного излучения, но и прохождение оставшейся ее части для дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инфекционным током области (ячейки) усиления. Это приводит к увеличению эффективной длины усиления для выходного сигнала ПОУ и как следствие этого значительно увеличена мощность выходного излучения, сужена диаграмма его направленности и обеспечена множественность выходных усиленных сигналов от одного сигнального оптического излучения на входе ПОУ. 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

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

Полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) - также один из важнейших элементов современных волоконно-оптических систем связи и передачи информации. Входом ПОУ являются оптические сигналы, чаще всего лазерного излучения.

Известны различные типы оптических усилителей: волоконно-оптические усилители с накачкой от полупроводниковых лазеров [1] и ПОУ, в которых усиление входных оптических сигналов происходит непосредственно в активной области лазерных гетероструктур.

Волоконно-оптические усилители обладают рядом значительных достоинств и применяются сегодня как во всем мире, так и в отечественных системах волоконно-оптической связи. Однако ПОУ в силу своих особенностей: малые габариты, потенциально меньшая стоимость, возможность их интегрирования в оптоэлектронные схемы, безусловно имеют большие перспективы их использования при построении сложных, в частности, разветвленных сетей связи.

Известные к настоящему времени ПОУ имеют конструкции, содержащие один оптический вход и один оптический выход после усиления слабого входного сигнала [2]. В то же время, для простых и эффективных схемотехнических решений сложных разветвленных сетей связи желательно было бы иметь ПОУ, которые бы при одном оптическом входе имели бы несколько оптических выводов усиленного входного сигнала. Однако величины выходных сигналов известных ПОУ не достаточны для решения подобных задач.

Однако в настоящее время известны ПОУ с повышенной выходной мощностью излучения за счет формирования расширяемой области усиления [3, 4]. В то же время данной конструкции ПОУ свойственны определенные недостатки - трудности ввода излучения одновременно в несколько волокон для создания разветвленных сетей связи и недостаточная выходная мощность в ПОУ при большом числе разветвителей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый оптический усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктурную с активным слоем, содержащую активную область усиления, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями и средства подавления паразитных излучений.

Основные особенности конструкции известного ПОУ могут быть пояснены с помощью фиг. 1.

ПОУ выполнен в полупроводниковой многослойной гетероструктуре 1, помещенной на подложке 2, и состоит из полосковой активной области усиления (ПАОУ) 3, заканчивающейся средством 4 - вывода усиленного излучения просветленной сколотой гранью гетероструктуры 1. С этой целью на нее нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5 с глубоким просветлением R510^-4. Выходная апертура усилия равна 4 - 5 мкм. Кроме того, в конструкции ПОУ предусмотрены средства, обеспечивающие подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала, способных сорвать одномодовый режим его работы. Ими в известном ПОУ [4] являются те же антиотражающие покрытия 5.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выходе 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 ПОУ и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен полупроводниковый оптический усилитель, в котором активная область усиления сформирована по крайней мере из двух ячеек усиления, составляющих по крайней мере одну линейку усиления, ячейки соединены средством вывода излучения, выполненым в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводного излучения. Причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению к входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки. При этом введен угол , образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемый 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 - 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 усиления, в области, прозрачной для вывода излучения, ограниченной дном выемки, а также задаваемом 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 0,95...0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце 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.

Активная область усиления может быть выполнена различной конфигурации. Например, активная область усиления может быть выполнена шириной f по всей ее длине.

Для сохранения одномодового и/или одночастотного режима работы и получения дифракционного ограниченного излучения: первая от входа ячейка активной области усиления выполнена расширяемой от входа шириной b до ширины f, а остальные ячейки выполнены шириной f; начальная часть от входа первой ячейки выполнена шириной b, а продолжающая ее часть первой ячейки выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, остальные ячейки выполнены шириной f.

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 веденном 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, наклоненной 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 sin{-[(/2)-2]}=sin, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения; б) при выборе угла большим /4 угол задан соотношением nsin{-[2-/2)]}=sin, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В следующем случае для уменьшения паразитных отражений и переотражений предложено по периметру 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 полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых паразитных излучений и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значения 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, вводимого при работе 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 расположения областей излучения в оптическом усилителе сформированы различные варианты при фазированном сложении достигнуть значительного сужения диаграммы направленности суммарного излучения и плотности мощности (выше суммарной) в дальнем поле. При этом полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающей по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающей внешние 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.

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

Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении новой и оригинальной конструкции усилителя типа бегущей волны 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 усиленного излучения из оптического усилителя 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 оставшаяся часть излучения является входным сигналом (аналог сигнала задающего внешнего лазера для ПОУ). Последний в этом участке усиления вновь усиливается, возможно до уровня насыщения, и вновь выводится через следующее аналогичное средство вывода излучения. Так процесс поочередного усиления и вывода излучения может быть повторен требуемое число раз.

Следовательно, реализовано значительное увеличение эффективной длины усиления излучения в ПОУ 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 конструкция выемок, их расположение, средства подавления паразитных излучений, средства рассеяния излучений, выполнение областей, прозрачных для выводимых излучений, позволили создать различные модификации предложенного ПОУ, составляющие единый общий изобретательский замысел.

Все это обеспечивает значительное увеличение выходной мощности, ее плотности, дает возможность достигнуть сужения диаграммы направленности суммарного излучения, а также управление ею вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных одномодовых и/или одночастотных выходных излучений и снижения астигматизма от области излучения ПОУ при возможности вывода излучения практически со всей поверхности оптического усилителя, отводов больших количеств выделяемого тепла от активной области усиления и относительной технологической простоты его изготовления.

Это позволяет также значительно увеличить количество оптических выводов от ПОУ, а при снижении обратных отражений оптически усиленных сигналов в активные слои усиления при их выводе из ПОУ обеспечить существенное повышение коэффициента усиления ПОУ, кроме того это позволяет упростить ввод выходного излучения в оптическое волокно и значительно снизить затраты при использовании предлагаемых ПОУ в сложных разветвленных волоконно-оптических системах связи.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое ПОУ, вид сверху; на фиг. 2 - известное ПОУ, вид сверху; на фиг. 3 - продольный разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - 6 - фрагменты продольного разреза А-А на фиг. 2; на фиг. 7 - предлагаемое ПОУ с двухмерной интегральной областью усиления в виде "змейки".

Предлагаемое устройство ПОУ (фиг. 2 и 3) состоит из ячеек 6 усиления, первая из которых составлена из полоскового участка, названного нами предусилителем 7, и расширяемого участка, названного нами расширяемой областью усиления (РОУ) 8. Ячейки 6 усиления соединены между собой средствами 4 вывода излучения. Вход первой ячейки 6 усиления является входом ПАОУ 3. Ширина ее полоскового участка равна b, РОУ 8 расширена от ширины b до ширины f. Последующие ячейки 6 усиления f составляют ПАОУ 3. В средства 4 вывода большей части усиленного излучения входят выемки 9, на фронтальных гранях которых по отношению к входу ПОУ помещены отражатели 10, а также области 11, прозрачные для выводимого излучения (на фиг. 3 обозначены пунктиром). Выемки 9 имеют глубину x₀, определяемую в рассматриваемом случае от поверхности гетероструктуры 1 (в общем случае - от поверхности, противоположной поверхности вывода излучения). Выемки 9 ограничивают с двух сторон каждую ячейку 6 усиления, последовательность которых образует линейку 12 усиления. Выполнены подавляющие паразитное излучение области 13 и 14, поглощающие, либо рассеивающие с дальнейшим поглощением самопроизвольные паразитные отражения и переотражения. Расположены они непосредственно за последней (по ходу усиления) выемкой 9 (торцевые подавляющие области 13) и по обе стороны от всей области усиления оптического усилителя с предусилителем 7 (боковые подавляющие области 14) 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 фиг. 3 показано, что гетероструктура 1 состоит из активного слоя 15, двух окружающих его эмиттеров 16 и 17, контактного полупроводникового слоя 18, помещенного на эмиттере со стороны, противоположной расположению подложки 2, и омических контактов 19 и 20, где омический контакт 19 является омическим контактом ко всей активной области усиления, включая все его части, а именно, предусилитель 7, РОУ 9 и ПАОУ 3. В ряде случаев возможно автономное выполнение части омических контактов. В подложке 2 выполнен контакт 20.

Активный слой 15 в реальных гетероструктурах 1, в частности с напряженными квантоворазмерными подслоями [5], может включать несколько квантоворазмерных активных подслоев с разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих с эмиттерами 16 и 17 соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

Грани выемки 9 могут быть покрыты упрочняющими защитными покрытиями 21, а фронтальная по отношению к распространяемому усиливаемому излучению - высокоотражающим покрытием 22 (фиг. 3 - 6).

Для осуществления вывода излучения через области 11, прозрачные для выводимого излучения, а именно слои гетероструктуры 1 и подложку 2, расположенные по пути прохождения отраженного усиленного излучения от отражателя 10 выемки 9, в подложке 2 выполнены поверхности 23 вывода излучения, свободные от омического контакта 20 и покрытые многослойными диэлектрическими антиотражающими покрытиями 5 На фиг. 4 - 6 на фрагментах разрезов изображены различные варианты размещения отражателей 10 выемок 9 и поверхностей 23 вывода, выполненных либо на поверхности подложки 2 (фиг. 4 и 5), либо в углублениях в подложке 2 (фиг. 6). При этом поверхности 23 вывода могут быть помещены под различными углами к плоскостям слоев гетероструктуры 1 в зависимости от наклона отражателя 10, т.е. от величины угла (образован направлением ребра отражателя 10 выемки 9 на поверхности гетероструктуры 1 с направлением боковых сторон ПАОУ 3) и угла (образован нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя 15 к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя 10 выемки 9 с нормалью к поверхности отражателя 10 выемки 9).

На фиг. 5 показан дополнительно введенный просветляющий слой 24, помещенный между эмиттером 17 и подложкой 2.

На фиг. 7 изображены поворотные отражатели 25 и поворотные ячейки 26 усиления, использованные для создания двумерной интегральной ПАОУ 3 в предложенном ПОУ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входное излучение (фиг. 2) через вход первой ячейки усиления вводится по полосковой ее части 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 P₀ излучение, попадая на фронтальную наклонную зеркальную грань выемки 9 - отражатель 10, отражается от него и выводится из активного слоя 15. (В данном частном случае, изображенном на фиг. 2 при углах = /2 и = /4 лучи отражаются под прямым углом в сторону подложки 2). Однако, так как выемка 9 глубиной x₀ специально рассчитана и сформирована, из активного слоя 15 выводится не все излучение, а только его часть P_вых. Оставшаяся, обычно меньшая часть, проходит непосредственно под дном выемки 9 и излучение P_вх (обычно не менее 10^-3) попадает во вторую ячейку 6 усиления ПАОУ 3. Здесь за счет приложенного к этой ячейке 6 усиления тока накачки, излучение в конце нее вновь может быть усилено практически до насыщения (в зависимости от длины ячейки 6 усиления и силы приложенного тока), вновь отражается от отражателя 10 следующей выемки 9 и выводится из активной области ячейки 6 усиления и т.д.

На фиг. 3 (продольный разрез, перпендикулярный слоям гетероструктуры 1) показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 15. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 15, вдоль оптической оси симметрии, а спадающие хвосты распределения захватывают эмиттеры 16 и 17.

Расчет распределения интенсивности излучения I(x) для конкретной гетероструктуры 1 при заданных составах и толщинах всех ее слоев в настоящее время не представляет трудностей [6]. 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 P₀ - полный поток мощности излучения через гетероструктуру 1.

При выбранном значении k, равном, например 0,1, можно найти x₀, то есть расстояние, на которое дно выемки должно быть отдалено от оптической оси усилителя. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирают в диапазоне (0,99...0,001)P₀.

Указанный диапазон изменения k=0,99...0,001 может быть также обоснован известными данными [7] и проведенными оценками.

Поток энергии, равный (1-k)P₀ = P, 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. 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 доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя выемки, 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. 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, то есть к углу , к наклону отражателя, т.е. к углу , к областям 11, прозрачным для выводимого излучения, так и к областям 13 и 14 подавления паразитных излучений.

Рассмотрим влияние положения отражателей 10 и поверхностей 23 вывода излучения, а также конструкции областей 11, прозрачных для выводимого излучения, на реализацию режима усиления в ПАОУ 3 при увеличенной эффективной длине усиления излучения, а также на снижение вероятности возникновения самовозбуждаемых областей генерации в усиливающих областях.

Определено, что для реализации необходимых условий усиления необходимо, чтобы направления ребер выемок были направлены либо перпендикулярно по отношению к направлению боковых поверхностей ПАОУ 3, либо под некоторым углом 90^o, 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 - 1/2arcsin 1/n, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Эмпирически подтверждено, что при выбранном нами диапазоне наклона ребер выемки 9 и наклона отражателей 10 возможна реализация вывода излучения из оптического усилителя, значительное уменьшение рассеяния паразитно отраженных излучений, что в совокупности с условиями расположения дна выемки 9 позволяет наиболее оптимально реализовать достаточно эффективный выход части излучения и его введение в следующую ячейку 6 для дальнейшего усиления.

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

В этом случае при выращивании гетероструктуры 1 между подложкой 2 и эмиттером 17 может быть выращен дополнительный прозрачный полупроводниковый слой толщиной в пределах 5...100 мкм. Известно, что условие прозрачности отвечает требованию >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 23 вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры 1, и выбора угла , равного /2, а угла , равного /4 Однако при этом возможно увеличение отражений от поверхностей слоев гетероструктуры 1 и поверхности 23 выхода излучения, в частном случае, от поверхности подложки 2, что крайне нежелательно (фиг. 4).

Как показали эксперименты для минимизации этого эффекта желательно на пути вывода отраженного излучения из активного слоя 15 гетероструктуры 1, например, между эмиттером 17 и подложкой 2 в многослойной гетероструктуре 1 желательно встраивать просветляющий полупроводниковый слой 24, оптическая толщина которого равна четверти длины волны выводимого излучения (фиг. 5). Просветляющие свойства слоя 24 определяются выполнением условия где n₁₅, n₄, n₂ - показатели преломления четверьволнового просветвляющего слоя 24, эмиттера 17 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 направлениях 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).

Выяснено, что для < /4 угол задан соотношением sin{-[/2)-2]}=sin, где - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а для угла > /4 угол задан соотношением sin{-[2-(/2)]}=sin, где - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В местах выхода лучей из подложки 2, свободных от металлических контактных слоев омического контакта 20, желательно наносить многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5.

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 13 и 14 их подавления. Для этого в конце последней ячейки усиления ПАОУ 3, непосредственно после отражателя 10 конечной выемки 9 в гетероструктуре 1 создается торцевая область 13 подавления паразитных излучений, а именно, либо область поглощения, либо рассеяния с последующим поглощением прошедшей под выемкой 9 малой части излучения P_вх, а также подавлением отраженных и переотраженных излучений с целью предотвращения самовозбуждения усилителя.

Предложено с боковых сторон и в торце ПАОУ 3, после последней выемки 9 ячейки усиления 6 выполнять канавки для создания торцевой и частично боковой областей 13 и 14 подавления.

Эмпирически было выяснено и подтверждено расчетными оценкам, что подавление паразитных излучений при минимально вносимых потерях достигается при расположении канавок на расстояниях, при которых боковой спад интенсивности генерируемого либо усиливаемого излучения снижается до значений не более, чем 0,1 максимального значения интенсивности излучения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем данные канавки должны быть выполнены по крайней мере на глубину расположения всех слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Стороны канавок, смежные с боковыми сторонами активных областей, желательно формировать под углами полного внутреннего отражения к преимущественно распространяемым паразитным излучениям. Они могут быть рассчитаны при помощи известных методик.

Для увеличения эффекта подавления паразитных излучений канавки заполняют поглощающими излучение материалами с определенными характеристиками. Как определено, наилучшими материалами являются полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны E_g(эB) < 1,24/. При этом необходима ширина канавок не менее 3/, где - коэффициент поглощения выбранного полупроводникового материала для данной длины волны. Полупроводниковыми материалами могут быть германий, кремний, арсенид индия и т.д.

Известно [8], [9], введение областей, подавляющих паразитные излучения: как торцевой области 13, так и боковых областей 14. Однако для данной конструкции ПОУ выбраны расположения, углы наклона боковых сторон канавок, смежных с активными областями, используемые поглощающие материалы. Выяснено, что увеличение расстояний между канавкой 13 и торцевой стороной ПАОУ 3, а также между канавками 14 и боковыми сторонами ПАОУ 3 значительно снижает эффект подавления паразитных излучений. Наименьшее расстояние определяется технологическими возможностями и требованиями исключения переотражений от граней канавок в активную область. Углы наклона канавок выбирают именно такими, чтобы исключить обратные переотражения. Предварительно они могут быть рассчитаны при помощи известных методов и уточнены во время эксперимента, так как зависят от каждой конкретной конструкции ПОУ, т.е. конкретной гетероструктуры и его элементов. Из сказанного следует, что вся совокупность существенных признаков предложенного ПОУ, включающего указанные средства подавления паразитных излучений, обладает изобретательским уровнем и новизной.

Предложенные нами и рассмотренные здесь модификации элементов позволяют оптимизировать конструкцию ПОУ и получить превосходные параметры, как по величине выходной мощности, так и по качеству получаемого излучения.

Для дальнейшего увеличения выходной мощности возможно использовать различные варианты топологий ПАОУ 3. На фиг. 7 представлен вариант ПОУ, отличающийся двумерной областью поверхностного излучения, сформированный из линеек 12 усиления, например, в виде "змейки". Возможны также другие варианты создания топологий двумерных областей, не представленные в настоящем описании (например, "свернутая спираль", "развернутая спираль" и т.д.).

На фиг. 7 входное излучение, усиленное в первой ячейке 6 усиления, поочередно отражаясь для вывода из активного слоя 15 и усиливаясь вновь, как описано ранее, достигает конца линейки 12 усиления. Здесь за счет введения поворотной ячейки 26 усиления с поворотным отражателем 25, сформи