Полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель

Реферат

 

Использование: в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в медицинской аппаратуре, в конструкциях лазеров. Изобретение состоит в модернизации гетероструктуры полупроводникового усилительного элемента, в комплексном подборе составов и толщин слоев гетероструктуры, обеспечивающих работу в узкой переходной области формирования вытекания излучения из активного слоя упомянутого полупроводникового усилительного элемента предложенного полупроводникового оптического усилителя, а также при использовании инжекционного лазера предложено использовать для него такую же либо аналогичную гетероструктуру. Технический результат изобретения заключается в увеличении выходной мощности излучения, эффективности, надежности усилителя, при уменьшении углов расходимости выходного излучения, минимизации отклонения его направления от нормали к плоскости оптической грани, в улучшении распределения ближнего и дальнего полей излучения, а также температурных зависимостей выходных параметров полупроводникового усилительного элемента, уменьшении омических и тепловых сопротивлений, снижении уровня механических напряжений, упрощении технологии его изготовления. 2 с. и 23 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к эффективным, мощным и компактным полупроводниковым оптическим усилителям и его полупроводниковым усилительным элементам.

Предшествующий уровень техники Полупроводниковый усилительный элемент (в дальнейшем "ПУЭ") выполняется на основе гетероструктуры и является основным элементом эффективного высокомощного и компактного полупроводникового оптического усилителя (в дальнейшем "ПОУ").

Традиционно ПОУ состоит из задающего источника входного излучения, выход которого оптически связан оптической системой со входом ПУЭ [1,2,3].

Наиболее близким по решаемой технической задаче является предложенный в [4] ПУЭ с областью втекания и нетрадиционной средой распространения усиливаемого излучения. Он включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, и прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. ПУЭ также содержит оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. При работе известного ПУЭ средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания и по крайней мере часть активного слоя. В [4] предложены также конструкции ПУЭ с множеством областей втекания излучения, многокаскадные ПУЭ.

Все способы изготовления ПЭУ основаны на методах современной технологии изготовления полупроводниковых инжекционных источников излучения. В то же время имеются при их изготовлении технологические сложности, особенно в изготовлении наклонных оптических граней. Существует ряд ограничений при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Наиболее близким по решаемой технической задаче является предложенный в [4] ПОУ, содержащий оптически соединенные задающий источник входного излучения с ПУЭ, включающим область втекания и нетрадиционную среду распространения усиливаемого излучения. В объем среды распространения усиливаемого излучения включен не только активный объем области усиления с интенсивным вытекающим усилением, но и пассивный объем области втекания излучения. ПУЭ включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. ПУЭ также содержит оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани, причем при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания и по крайней мере часть активного слоя.

При этом были значительно увеличены площади входных и выходных апертур, для всех конструкций ПОУ выходное усиленное излучение было наклонным, в том числе перпендикулярным по отношению к его продольной оси, лежащей в плоскости активного слоя. В [4] предложены также конструкции ПОУ с многолучевым выводом излучения, многокаскадные ПОУ.

Основными достоинствами данных ПОУ являются возможности увеличения площадей входных и выходных апертур, получение малых углов расходимости, увеличение срока службы и надежности работы. В то же время вывод излучения под углом к активному слою и к оптическим граням создает большие трудности при эксплуатации известных из [4] ПОУ. Имеются технологические сложности в их изготовлении, особенно при изготовлении наклонных оптических граней. Существуют ограничения при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Раскрытие изобретения В основу изобретения поставлена техническая задача упрощения конструкции полупроводникового усилительного элемента и технологического процесса его изготовления как выращивания его гетероструктуры, так и изготовления упомянутого элемента, с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями и сниженным уровнем механических сопротивлений, с большими площадями входной и выходной его апертур для создания высокомощных, высокоэффективных, высоконадежных, малошумящих, высокоапертурных, полупроводниковых оптических усилителей, с малыми углами расходимости выходного излучения, направленного под примерно прямым углом к плоской (возможно сколотой) оптической грани, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров полупроводниковых оптических усилителей.

В основу изобретения поставлена техническая задача увеличения выходной мощности излучения, эффективности, надежности полупроводникового оптического усилителя, в том числе одномодового, одночастотного (в зависимости от задающего источника входного излучения), с большими площадями входной и выходной его апертур, при уменьшении углов расходимости выходного излучения, с минимизацией отклонения направления выходного излучения от направления нормали к плоскости (возможно сколотой) оптической грани, с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями, сниженным уровнем механических напряжений, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров при упрощении технологии его изготовления.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, который состоит по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани, при этом при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньшие, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно, примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы, причем при работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

Существенное отличие предложенных полупроводниковых усилительных элементов (далее "ПУЭ") состоит в комплексной модернизации гетероструктур (далее "ГС"), в которой путем подбора составов, толщин и расположения ее слоев обеспечивается работа ПУЭ в окрестности узкой переходной области, где начинает выполняться условие вытекания излучения из активного слоя. Это основное отличие обеспечивает решение поставленной технической задачи.

Предложенный ПУЭ основан на модернизированной ГС. В таких ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры, на основе которой обычно выполнен традиционный ПУЭ. В общем случае ГС предложенного ПУЭ состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть сформированы к р-типа стороне ГС - контактный полупроводниковый слой и к n-типа стороне ГС - буферный слой, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух его наружных сторон.

При работе предложенного ПУЭ в полупроводниковом оптическом усилителе (в дальнейшем "ПОУ"), состоящем из какого-либо соответствующего задающего источника входного оптического излучения - далее "ЗИ", ПУЭ, оптической системы, связывающей ЗИ с ПУЭ): - введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие. Для улучшения выходных параметров полупроводниковых инжекционных источников излучения (далее "ИИИ"), а именно предложенного ПУЭ, локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм. Ширина запрещенной зоны Е_gЛ этих слоев значительно превышает ширину запрещенной зоны Е_gAC активного слоя, - специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения n_эф к n_ВТ. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров ПЭУ настроечные слои в большинстве модификаций могут выполнятся толщиной не более 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны Е_gH, незначительно превышающей ширину запрещенной Е_gAC активных слоев, и/или из состава одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров ПЭУ.

Для работающего ПУЭ (при выполнении условия вытекания) вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из ПУЭ.

В отличие от этого в [4] вытекающее излучение через слой втекания выходит напрямую. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления n_отр, меньший, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания , равного косинусу отношения n_эф к n_ВТ, а именно = cos(n_эф/n_BT), и, следовательно, соотношения n_эф и n_ВТ, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы. Поэтому составы и толщины слоев ПУЭ подбираются такими, чтобы при его работе вытекание излучения из активного слоя в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства n_эф и n_ВТ.

Если n_эф заметно больше n_ВТ, то вытекание практически отсутствует, и мы имеем обычный ПУЭ без вытекания, если n_ВТ заметно больше n_эф, то имеет место очень сильное вытекание, и чувствительность ПУЭ в области низких мощностей излучения ЗИ будет неприемлимо низкой. Отметим, что величина n_эф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ПУЭ в работающем устройстве. В связи с этим мы ввели универсальный параметр , равный отношению n_эф к n_ВТ, а именно = (n_эф/n_BT), который характеризует пригодность использования предложенного ПУЭ. Этот оцененный нами расчетным путем интервал значений весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы.

Предложено по крайней мере для части интервала значений рабочих токов параметр определять из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта, для сужения диаграммы направленности излучения, увеличения эффективности, уменьшения плотности излучения на выходной грани и решения других задач (при этом условие вытекания выполняется).

В некоторых модификациях по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношение n_эф к n_ВТ, определяемое составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбирают менее единицы и более 0,99, или вблизи единицы, или равное единице для получения вытекания в ПУЭ.

Для исключения самовозбуждения ПУЭ необходимо, чтобы при его работе интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, была выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения. При достаточной интенсивности вытекающего излучения, возрастающей с увеличением тока, порог самовозбуждения для предложенных ПУЭ может быть получен при значительно больших токах, чем в обычных используемых в настоящее время ПУЭ. В то же время это приводит к существенному упрощению требований к просветляющим покрытиям. В предложенных ПУЭ входная и выходная апертуры могут быть сформированы, в отличие от обычных ПУЭ, согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае, ввод входного сигнала и вывод выходного усиленного излучения из ПУЭ может быть осуществлен с помощью оптического волокна напрямую без использования дополнительных согласующих элементов.

При работе ПУЭ за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено перпендикулярно к плоскостям оптических граней. Это обеспечивается имеющимися слоями и их последовательностью в ГС ПУЭ, выбором их составов, толщин. То же самое позволяет уменьшить толщины слоев втекания, что дало возможность выращивать ГС для ПУЭ в одном технологическом цикле.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ПУЭ оптические грани расположены практически перпендикулярно плоскости активного слоя. Поэтому имеется возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины, при котором сколотые грани будут перпендикулярны по отношению к плоскости активного слоя, что значительно упрощает технологический процесс изготовления ПУЭ и его дальнейшее использование.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность предложенного ПУЭ, слой вытекания, локализующий и настроечный слои, выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою вытекания, также выполняют нелегированной.

Предложенный ПУЭ с введенными локализующим и настроечным слоями позволяет выбрать оптимальный для улучшения параметров лазера состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Он должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны Е_gBT слоя втекания отличалась от ширины запрещенной зоны Е_gП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах и в то же время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров ПУЭ предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура.

В следующем исполнении, позволяющем решить поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания.

В следующей модификации для улучшения распределения излучения в ближнем и дальнем поле предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления, меньшим, чем n_эф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания.

Для решения той же поставленной технической задачи и для контроля за параметром = (n_эф/n_BT) в начальной области токов предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать одинаковым по составу со слоем втекания.

Для улучшения параметров ПУЭ в видимой красной области спектра на основе ГС из соединений AlGaInP предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнять на основе соединений типа AlGaAs.

Для увеличения мощности излучения ПУЭ предложено поместить по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровней легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому.

Поставленная техническая задача решается также тем, что предложен полупроводниковый оптический усилитель, включающий оптически связанные задающий источник входного излучения и полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани.

Причем при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления, меньшие, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы, причем при работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, а интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

Существенное отличие предложенных полупроводниковых оптических усилителей (далее "ПОУ") состоит в комплексной модернизации гетероструктур (далее "ГС"), в которой путем подбора составов и толщин ее слоев обеспечивается работа ПОУ в окрестности узкой переходной области, где начинает выполняться условие вытекания излучения из активного слоя ПУЭ. Это основное отличие обеспечивает решение поставленной технической задачи.

Предложенный ПОУ основан на модернизированном ПУЭ, его модернизированной ГС. В таких ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры, на основе которой обычно выполнен традиционный ПОУ. В общем случае ПУЭ предложенного ПОУ состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть сформированы к р-типа стороне ГС - контактный полупроводниковый слой и к n-типа стороне ГС - буферный слой, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух его наружных сторон.

При работе предложенного ПОУ с предложенным ПУЭ - введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие (для улучшения выходных параметров ПОУ локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм) с шириной запрещенной зоны Е_gЛ этих слоев, значительно превышающей ширину запрещенной зоны Е_gAC активного слоя.

- специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения n_эф к n_ВТ. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров ПОУ настроечные слои в большинстве модификаций могут выполнятся толщиной не более 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны Е_gH, незначительно превышающей ширину запрещенной Е_gAC активных слоев, и/или из состава, одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров ПЭУ.

Для работающего предложенного ПОУ при выполнении условия вытекания в ПУЭ вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из ПОУ. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления n_отр, меньший, чем эффективный показатель преломления n_эф всей гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания , равного косинусу отношения n_эф к n_ВТ, а именно = cos(n_эф/n_BT), и, следовательно, соотношения n_эф и n_ВТ, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы. Поэтому составы и толщины слоев ГС подбираются такими, чтобы при работе ПОУ вытекание излучения из активного слоя ПУЭ в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Отметим, что величина n_эф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ПУЭ. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства n_эф и n_ВТ. В связи с этим мы предложили универсальный параметр , равный отношению n_эф к n_ВТ, а именно = (n_эф/n_BT), который характеризует пригодность использования предложенного ПОУ. Этот оцененный нами расчетным путем интервал значений весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы.

Предложено по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения n_эф к n_ВТ определять из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы (при этом условие вытекания в ПУЭ предложенного ПОУ выполняется). Это приводит к сужению диаграммы направленности излучения, увеличению эффективности, уменьшению плотности излучения на выходной грани, практическому отсутствию насыщения усиления вплоть до максимальных значений рабочих токов и к решению других задач.

В некоторых модификациях по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения n_эф к n_ВТ, определяемые составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбирают менее единицы и более 0,99, или вблизи единицы, или равными единице для получения вытекания в ПУЭ предложенного ПОУ.

Для исключения самовозбуждения ПУЭ предложенного ПОУ необходимо, чтобы при его работе интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, была менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения. При достаточной интенсивности вытекающего излучения, возрастающей с увеличением тока, порог самовозбуждения для предложенных ПОУ может быть получен при значительно больших токах, чем в обычных используемых в настоящее время ПОУ. В то же время это приводит к существенному упрощению требований к просветляющим покрытиям.

В предложенном ПОУ входная и выходная апертуры могут быть сформированы, в отличие от обычных ПОУ, согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае ввод входного сигнала и вывод выходного усиленного излучения из ПУЭ может быть осуществлен с помощью оптического волокна напрямую без использования дополнительных согласующих элементов.

При работе ПОУ с предложенным ПУЭ за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено перпендикулярно к плоскостям оптических граней. Это обеспечивается имеющимися слоями и их последовательностью в ГС, используемой в ПОУ для изготовления по крайней мере ПУЭ, выбором составов и толщин слоев упомянутой ГС. То же самое позволяет уменьшить толщины слоев втекания, что дает возможность выращивать упомянутую ГС в одном технологическом цикле.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ПОУ оптические грани расположены практически перпендикулярно плоскости активного слоя. Поэтому имеется возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины, при котором сколотые грани перпендикулярны по отношению к плоскости активного слоя ГС ПУЭ, что значительно упрощает технологический процесс изготовления ПУЭ для предложенного ПОУ и дальнейшее использование ПОУ.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность предложенного ПОУ, слой вытекания, локализующий, настроечный слои ПУЭ выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою вытекания, также выполняют нелегированной.

Предложенный ПОУ с введенными локализующим и настроечным слоями позволяет выбрать оптимальный для улучшения параметров ПОУ состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Слой втекания должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны Е_gBT слоя втекания отличалась от ширины запрещенной зоны Е_gП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах, и в то же время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров ПОУ предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура.

В следующем исполнении, позволяющем решить поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания.

В следующей модификации для улучшения распределения излучения в ближнем и дальнем поле предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления, меньшим, чем n_эф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания.

Для решения той же поставленной технической задачи и для контроля за параметром = (n_эф/n_BT) в начальной области токов предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать одинаковым по составу со слоем втекания.

Для улучшения параметров ПОУ в видимой красной области спектра на основе ГС из соединений AlGaInP предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе соединений типа AlGaInP, a слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнять на основе соединений типа AlGaAs.

Для увеличения мощности излучения ПОУ предложено поместить по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположить разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровней легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому.

Создание высокомощного, в том числе одномодового или одночастотного источника излучения, возможно при использовании комбинации задающий лазер с высоким качеством излучения и высокомощный ПУЭ, соединенные напрямую. Для обычных лазеров и усилителей это практически невозможно из-за малых размеров их входной и выходной апертур. В предложенном ПОУ изготовление указанной комбинации становится возможным, поскольку размер апертуры ПУЭ превышает размер апертуры обычных усилительных элементов ПОУ в десятки раз.

Для ряда случаев целесообразно задающий источник входного излучения в виде инжекционного лазера и полупроводниковый усилительный элемент изготавливать из одной и той же гетероструктуры и размещать их на одной продольной оптической оси при кратчайшем расстоянии между ними.

В другой модификации предложено инжекционный лазер и полупроводниковый усилительный элемент выполнять из аналогичных гетероструктур, причем толщины слоев втекания полупроводникового усилительного элемента превосходят соответствующие толщины слоев втекания инжекционного лазера.

В других случаях комбинацию ЗИ - ПУЭ возможно выполнять таким образом, что смежные оптические грани инжекционного лазера и полупроводникового усилительного элемента оптически соединяют с использованием оптического согласующего элемента. Таким элементом может быть, например, коллимирующая линза или оптический фоклин.

Возможны модификации, когда ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента больше ширины полосковой области инжекционного лазера, или когда ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента выполнена расширяемой.

В качестве инжекционного лазера предложено выбрать инжекционный лазер (далее "Лазер"), по конструкции подобный рассмотренному здесь ПУЭ, отличающийся покрытиями на оптических гранях (для ПУЭ - просветляющие, а для Лазера - отражающие).

Такой Лазер включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления, меньшие, чем n_эф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя.

Область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно прим