Гетероструктура, инжекционный лазер, полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель

Гетероструктура, инжекционный лазер, полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к ключевым компонентам квантовой электронной технике, а именно к гетероструктуре на основе полупроводниковых соединений, инжекционному лазеру, полупроводниковому усилительному элементу и к полупроводниковому оптическому усилителю.

Предшествующий уровень техники

Гетероструктуры являются базовым элементом для изготовления эффективных высокомощных и компактных полупроводниковых инжекционных источников излучения (в дальнейшем "ИИИ") с узкой диаграммой направленности.

Гетероструктуры для полупроводникового ИИИ с вытекающим излучением с узкой диаграммой направленности известны [Патент 4063189 US, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5], [Патент 2142665 RU, 10.08.1998, H 01 S 3/19].

Наиболее близкой по решаемой технической задаче является предложенная [Патент №2197049 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32] гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, содержащая 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, характеризуемая отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. При этом в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные 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 является числом много меньшим единицы.

Данная гетероструктура-прототип обладает рядом значительных достоинств. Упрощена технология их получения, при работе ИИИ на основе гетероструктуры с вытекающим излучением реализован вывод излучения примерно по нормали к плоскостям сколотых оптических граней, увеличена мощность излучения, увеличен размер излучающей площадки в вертикальной плоскости и, соответственно, уменьшена угловая расходимость излучения. В то же время гетероструктура ограничивает возможное достижение высоких энергетических и пространственных характеристик ИИИ, изготовленных на ее основе.

Инжекционные лазеры с вытекающим излучением с узкой диаграммой направленности известны [Патент 4063189 US, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 Н], [Патент 2142665 RU, 10.08.1998, H 01 S 3/19].

Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является предложенный инжекционный лазер-прототип [Патент №2197048 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32], 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. Такая гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Кроме гетероструктуры лазер-прототип содержит также оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя. В гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные 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, при этом дополнительной средой оптического резонатора является по крайней мере часть отражающего слоя. Отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы. При работе инжекционного лазера для заданных значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры, не менее ее величины, необходимой для поддержания порога лазерной генерации.

Основными достоинствами инжекционного лазера-прототипа являются увеличение выходной мощности лазерного излучения, увеличение размера излучающей площадки в вертикальной плоскости и, соответственно, уменьшение угловой расходимости излучения, упрощение технологии их изготовления, а также реализация вывода излучения примерно по нормали к плоскостям сколотых оптических граней. В то же время инжекционный лазер-прототип в определенной степени ограничивает достижение низких пороговых токов генерации, высокой эффективности и мощности при одновременно высоких пространственных характеристиках лазерного излучения.

Полупроводниковые усилительные элементы (ПУЭ) известны [Laser Focus World, September 2001, рр.73-79].

Наиболее близким по решаемой технической задаче является полупроводниковый усилительный элемент-прототип, предложенный в [Патент №2197047 RU, Швейкин В.И, Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32]. ПУЭ 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 и по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Такая гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Кроме гетероструктуры ПУЭ-прототип также включает оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. 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, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные 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. При работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой усиливаемого усиления излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, а интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая составами, толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

Основными достоинствами инжекционного ПУЭ-прототипа являются упрощение технологии изготовления, вывод излучения примерно по нормали к сколотым оптическим граням, большая входная и выходная апертуры, сниженный фактор шума, сниженная чувствительность к поляризации входного задающего излучения и малый угол расходимости излучения. В то же время инжекционный ПУЭ-прототип имеет недостаточную чувствительность к входному сигналу и определенные ограничения на величину коэффициента малосигнального усиления.

Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) известны [IEEE Photonics Technology Letters, Vol.11, No.9, September 1999, pp.1099-1101].

Наиболее близким по решаемой технической задаче является полупроводниковый оптический усилитель-прототип, предложенный в [Патент №2197047 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32].

ПОУ-прототип включает оптически соединенные задающий источник входного излучения и ПУЭ-прототип, предложенный в [Патент №2197047 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32] и изложенный выше на стр.3-4.

Основными достоинствами ПОУ-прототипа являются упрощение технологии изготовления, вывод излучения примерно по нормали к сколотым оптическим граням, улучшение распределения излучения в ближнем и дальнем поле, улучшенные температурные зависимости выходных параметров. В то же время ПОУ-прототип имеет определенные ограничения по величине коэффициента усиления входного излучения и по величине выходной усиленной мощности при одновременно высоких пространственных характеристиках излучения.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена техническая задача модернизации конструкции гетероструктуры, в частности области втекания излучения и активного слоя, с целью улучшения энергетических и пространственных характеристик ИИИ, изготовленных на ее основе, а именно создание высокомощных, высокоэффективных, высоконадежных полупроводниковых инжекционных источников излучения с улучшенными пространственными и угловыми характеристиками, малыми углами расходимости выходного излучения, улучшенными температурными зависимостями, а также с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями и сниженным уровнем механических напряжений.

В основу изобретения поставлена техническая задача дальнейшего снижения пороговых токов генерации и увеличения эффективности, выходной мощности и надежности инжекционного лазера при одновременно высоких пространственных характеристиках лазерного излучения, в том числе одномодового, одночастотного, а также уменьшение омических и тепловых сопротивлений, снижение уровня упругих механических напряжений, улучшение распределения ближнего и дальнего полей излучения, улучшение температурных зависимостей выходных параметров, снижение нелинейных искажений излучения, способствующих не только получению больших мощностей излучения, но и уменьшению ширины спектральной линии излучения, уменьшению ее частотного сдвига, улучшению высокочастотных и высокоскоростных модуляционных характеристик.

В основу изобретения поставлена техническая задача повышения чувствительности к входному сигналу и увеличения величины коэффициента малосигнального усиления полупроводникового усилительного элемента, а также дальнейшего снижения нелинейных искажений излучения для создания высокомощных, высокоэффективных, высоконадежных, малошумящих, высокочастотных, высокоапертурных полупроводниковых оптических усилителей с малыми углами расходимости выходного излучения, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, со сниженной чувствительностью к поляризации входного излучения, улучшенными температурными зависимостями, уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями и сниженным уровнем механических сопротивлений.

В основу изобретения поставлена техническая задача увеличения коэффициента усиления входного излучения и выходной мощности полупроводникового оптического усилителя, в том числе одномодового, одночастотного (в зависимости от задающего источника входного излучения), при одновременно высоких пространственных характеристиках усиленного излучения, эффективности, надежности, с большими площадями входной и выходной его апертур, с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями, сниженным уровнем механических напряжений.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложена гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, характеризуемая отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а именно: отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащая по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, включающую по крайней мере один слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_ВТ и состоящий по крайней мере из одного подслоя, а также по крайней мере один локализующий слой области втекания, состоящий по крайней мере из одного подслоя. Причем в область втекания дополнительно введен основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою, с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя.

Отличие предложенной гетероструктуры (ГС) состоит в модернизации области втекания и активного слоя ГС-прототипа, при которой изменена конструкция активного слоя и изменено расположение настроечного слоя и локализующего слоя в области втекания. Активный слой в предложенной ГС не содержит подслои и может быть по крайней мере один. В случае когда сформирован один активный слой, введенный дополнительно основной настроечный слой области втекания одной своей стороной примыкает к активному слою, в то время как к другой стороне основного настроечного слоя примыкает локализующий слой области втекания. В случае, когда в ГС сформировано два и более активных слоя, между активными слоями размещается введенный основной центральный настроечный слой, имеющий те же или близкие характеристики, что и основной настроечный слой.

Функционирование полупроводниковых ИИИ на основе предложенных гетероструктур происходит в окрестности переходного процесса вытекания излучения из активного слоя и втекания его в область втекания и в часть отражающего слоя, примыкающего к области втекания. Этот процесс вытекания в предложенных ГС определяется составом и толщинами ее слоев и контролируется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства отношения n_эф к n_ВТ единице. В рабочем диапазоне токов зто отношение определено внутри интервала значений от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где величина дельта примерно равна 0,01. Отметим, что в работающем устройстве отношение n_эф/n_ВТ уменьшается с увеличением тока, протекающего через ГС.

Эффективность ИИИ при выбранном отношении n_эф/n_ВТ и заданной плотности тока, проходящего через ИИИ, в определяющей степени зависит от величины результирующего усиления излучения в активном слое. Под результирующим усилением понимается итоговое усиление излучения, очищенное от резонансных потерь излучения в активном слое и оптических потерь в слоях ГС.

Как показано расчетами и подтверждено экспериментальными данными, наибольшая величина указанного выше результирующего усиления в активном слое достигается именно расположением, а также выбором толщин и показателей преломления основных настроечных слоев (или их подслоев). Таким образом, введенные дополнительно в предложенную ГС основные настроечные слои необходимы не только для контроля отношения n_эф/n_ВТ, но и дают возможность существенно улучшить как энергетические, так и пространственные характеристики ИИИ.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для увеличения результирующего усиления излучения в активном слое и улучшения энергетических характеристик ИИИ предложено вводить в ГС по крайней мере два активных слоя, между которыми размещают введенный основной центральный настроечный слой или один из его подслоев.

Для некоторых ГС, в которых имеются ограничения на увеличение толщины основного настроечного слоя, целесообразно в области втекания наряду с основным настроечным слоем формировать примыкающий к поверхности локализующего слоя по крайней мере с одной его стороны вспомогательный настроечный слой области втекания, выполненный по крайней мере из одного подслоя.

Для обеспечения эффективной модернизации ГС основной настроечный слой, основной центральный настроечный слой и вспомогательный настроечный слой выполняют с показателями преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания, а толщины указанных настроечных слоев выбирают из диапазона примерно от 0,005 мкм до примерно 1,0 мкм.

Для эффективной локализации электронов и дырок в активном слое и, следовательно, для улучшения температурных зависимостей и увеличения эффективности ИИИ локализующий слой выполняют с толщиной, выбранной из диапазона примерно от 0,01 мкм до примерно 0,30 мкм.

С целью уменьшения угловой расходимости излучения ИИИ толщины слоев втекания области втекания выбирают из диапазона примерно от 1,0 мкм до 10 мкм и более, а также по крайней мере один из подслоев отражающего слоя, преимущественно примыкающий к слою втекания, выполняют с показателем преломления близким к показателю преломления слоя втекания.

Для упрощения технологического процесса изготовления в некоторых модификациях ГС по крайней мере один слой втекания выращивают с показателем преломления, равным показателю преломления локализующего слоя.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних оптических потерь, определяющих эффективность ИИИ, выполненных из предложенных ГС, основной настроечный слой и основной центральный настроечный слой при выращивании не легируются, вспомогательный настроечный слой (при его наличии), слой втекания и часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, легируются с низким уровнем соответствующих легирующих примесей, примерно от 10¹⁵ см^-3 до 3·10¹⁷ см^-3 и локализующий слой легируется с уровнем соответствующих легирующих примесей, примерно от 10¹⁷ см^-3 до 2·10¹⁸ см^-3.

В зависимости от количества и расположения областей втекания или слоев втекания могут быть изготовлены два основных типа ГС - симметричная ГС и асимметричная ГС. В симметричной ГС области втекания расположены по обе стороны от активного слоя и преимущественно имеют одинаковые показатели преломления и одинаковые толщины входящих в них слоев. В асимметричной ГС область втекания может быть одна, при этом она расположена по одну сторону от активного слоя, преимущественно на стороне n-типа легирования.

Поставленная задача решается также тем, что в предложенной ГС для излучения с определенными длинами волн имеется возможность выбрать состав (или показатель преломления) слоя втекания одинаковый или близкий к составу (или к показателю преломления) прозрачной для излучения полупроводниковой подложки, на которой выращена гетероструктура. Поскольку подложки, как правило, являются бинарными полупроводниковыми соединениями (например, GaAs, InP, GaN, GaSb) и толщина слоя втекания обычно составляет большую часть от толщины всех слоев ГС, то в этом случае будут значительно снижены упругие механические напряжения в ГС, снижены омические и тепловые сопротивления, что приводит к увеличению эффективности, мощности излучения, а также к увеличению ресурса работы и надежности ИИИ на основе предложенной ГС.

При одном и том же токе через ИИИ для увеличения выходной мощности излучения примерно в два, три и более раз в предложенных ГС выполняют, соответственно, два, три и более активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, и между ними размещают основной центральный настроечный слой, состоящий из двух p-типа и n-типа тонких высоколегированных подслоев, обеспечивающих при работе ИИИ туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому.

Сущность предложенной в настоящем изобретении неочевидной гетероструктуры состоит в модернизации ее области втекания и активного слоя, при которой в состав области втекания введены основные настроечные слои, изменено расположение слоев области втекания и введен активный слой, не содержащий подслоев, что позволило соответствующим выбором толщин и составов слоев ГС реализовать оптимальное сочетание двух ее важнейших характеристик - величины результирующего усиления в активном слое и величины отношения n_эф/n_ВТ, при котором достигаются наилучшие энергетические и пространственные характеристики излучения ИИИ.

Рассмотренная выше новая модернизированная ГС со всеми ее отличительными признаками входит в состав предложенных в настоящем изобретении ключевых активных элементов квантовой электронной техники - инжекционного лазера, полупроводникового усилительного элемента и полупроводникового оптического усилителя.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен инжекционный лазер, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, характеризуемую отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а именно: отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащую по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления гетероструктуры n_эф, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, включающую по крайней мере один слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_ВТ и состоящий по крайней мере из одного подслоя, по крайней мере один локализующий слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя. Инжекционный лазер также включает оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя и по крайней мере из части отражающего слоя. Коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых для работающего инжекционного лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов. Причем в область втекания дополнительно введен основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою, с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя, при этом отношение n_эф/n_ВТ в области пороговых токов лазерной генерации определено из интервала значений от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где величина гамма определяется числом, меньшим дельта.

Основное отличие предложенного инжекционного лазера (далее Лазер) состоит в модернизации области втекания и активного слоя ГС, на основе которой изготовлен Лазер. При этом в состав области втекания введены основные настроечные слои, изменено расположение слоев области втекания. Активный слой в предложенной ГС не содержит подслои и может быть по крайней мере один. В случае, когда сформирован один активный слой, введенный дополнительно основной настроечный слой области втекания одной своей стороной примыкает к активному слою, в то время как к другой стороне основного настроечного слоя примыкает локализующий слой области втекания. В случае, когда в ГС сформировано два и более активных слоя, между активными слоями размещается основной центральный настроечный слой, имеющий те же или близкие характеристики, что и основной настроечный слой. Функционирование Лазера на основе предложенных гетероструктур происходит в окрестности переходного процесса вытекания излучения из активного слоя и втекания его в область втекания.

Избыточное вытекание излучения при определенных значениях токов может привести к срыву генерации. Чтобы этого не происходило, коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев ГС выбраны такими, при которых для работающего Лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов.

Процесс вытекания в лазерных ГС определяется составом и толщинами слоев ГС и контролируется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства отношения n_эф к n_ВТ единице. В рабочем диапазоне токов это отношение выбирается из диапазона значений от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где величина дельта примерно равна 0,01. Отметим, что в работающем устройстве отношение n_эф/n_ВТ уменьшается с увеличением тока, протекающего через ГС.

Для получения низких пороговых токов генерации Лазера отношение n_эф/n_ВТ следует выбирать из более узкого интервала значений, чем указанного выше от 1,01 до 0,99. Это отношение n_эф/n_ВТ в области начальных (пороговых) токов выбирают в непосредственной близости к единице с обеих сторон, а именно из интервала значений от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где величина гамма, определяемая числом, меньшим дельта, примерно равна 0,005. Пороговый ток генерации Лазера при выбранной величине отношения n_эф/n_ВТ в определяющей степени зависит от величины результирующего усиления излучения в активном слое. Как показано расчетами и подтверждено экспериментальными данными для предложенного Лазера, именно расположением, а также выбором толщин и показателей преломления основного настроечного слоя, при выбранном отношении n_эф/n_ВТ из интервала от 1,005 до 0,995, достигается наименьшая величина порогового тока лазерной генерации. Таким образом, введенные дополнительно в предложенную ГС оригинально расположенные основные настроечные слои необходимы не только для контроля отношения n_эф/n_ВТ, но и дают возможность решить поставленные технические задачи, в первую очередь существенно улучшить энергетические параметры (пороговый ток, эффективность, мощность излучения), и пространственные характеристики Лазера (распределение излучения в ближнем поле, угловая расходимость излучения в дальнем поле).

Поставленная техническая задача решается также тем, что для снижения порогового тока лазерной генерации предложено вводить в ГС по крайней мере два активных слоя, между которыми размещают введенный основной центральный настроечный слой или один из его подслоев.

Для некоторых Лазеров, в которых имеются ограничения на увеличение толщины основного настроечного слоя, целесообразно в области втекания наряду с основным настроечным слоем формировать примыкающий к поверхности локализующего слоя по крайней мере с одной его стороны вспомогательный настроечный слой области втекания, выполненный по крайней мере из одного подслоя.

Для обеспечения высоких энергетических параметров и пространственных характеристик Лазера основной настроечный слой, основной центральный настроечный слой и вспомогательный настроечный слой выполняют с показателями преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания, а толщины указанных настроечных слоев выбирают из диапазона примерно от 0,005 мкм до примерно 1,0 мкм.

Для эффективной локализации электронов и дырок в активном слое и, следовательно, для улучшения температурных зависимостей и увеличения эффективности Лазеров локализующий слой выполняют с толщиной, выбранной из диапазона примерно от 0,01 мкм до примерно 0,30 мкм.

Для уменьшения угловой расходимости излучения в вертикальной плоскости и увеличения эффективности Лазера толщины слоев втекания области втекания выбирают из диапазона примерно от 1,0 мкм до примерно 10 мкм и более, а также по крайней мере один из подслоев отражающего слоя, преимущественно примыкающий к слою втекания, выполняют с показателем преломления близким к показателю преломления слоя втекания.

Для упрощения технологического процесса изготовления в некоторых модификациях Лазера по крайней мере один слой втекания выполняют с показателем преломления равным показателю преломления локализующего слоя.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних оптических потерь, определяющих эффективность Лазеров, основной настроечный слой и основной центральный настроечный слой при выращивании не легируются, вспомогательный настроечный слой (при его наличии), слой втекания и часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, легируются с низким уровнем соответствующих легирующих примесей, примерно от 10¹⁵ см^-3 до 3·10¹⁷ см^-3 и локализующий слой легируется с уровнем соответствующих легирующих примесей примерно от 10¹⁷ см^-3 до 3·10¹⁸ см^-3.

В зависимости от количества и расположения областей втекания (или слоев втекания) могут быть изготовлены два основных типа Лазеров - симметричный Лазер и асимметричный Лазер. В симметричном Лазере области втекания расположены по обе стороны от активного слоя и преимущественно имеют одинаковые показатели преломления и одинаковые толщины входящих в них слоев. В асимметричной Лазере область втекания может быть одна, при этом она расположена по одну сторону от активного слоя, преимущественно на стороне n-типа легирования.

Поставленная задача решается также тем, что в предложенном Лазере с определенными длинами волн лазерного излучения имеется возможность выбрать состав (или показатель преломления) слоя втекания одинаковый или близкий к составу (или к показателю преломления) прозрачной для излучения полупроводниковой подложки, на которой выращена гетероструктура. Поскольку подложки, как правило, являются бинарными полупроводниковыми соединениями (например, CaAs, InP, GaN, GaSb) и толщина слоя втекания обычно составляет большую часть от толщины всех слоев ГС, то в этом случае будет значительно снижен уровень упругих механических напряжений, снижены омические и тепловые сопротивления, что приводит к увеличению эффективности, мощности излучения, а также к увеличению ресурса работы и надежности предложенных Лазеров.

При одном и том же рабочем токе для увеличения выходной мощности излучения примерно в два, три и более раз в предложенном Лазере выполняют, соответственно, два, три и более активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, и между ними размещают основной центральный настроечный слой, состоящий из двух p-типа и n-типа тонких высоколегированных подслоев, обеспечивающих при работающем Лазере туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому.

Следует отметить, что в в предложенном Лазере значительно снижены нелинейные искажения, способствующие пространственной нестабильности лазерного пучка и приводящие к ограничению выходной мощности в мощных инжекционных лазерах [П.Г.Елисеев, Ю.М.Попов, Квантовая электроника, 24, №12(1997), 1067-1079]. Это обусловлено тем, что в предложенном Лазере основная доля лазерного потока излучения (примерно 99,99%) распространяется по прозрачному слою втекания (линейная среда) и очень малая часть потока (примерно 0,01% и менее) - по нелинейной активной среде. Это определяет получение больших мощностей излучения, в том числе в одночастотном режиме генерации лазерного излучения, а также уменьшение ширины спектральной линии излучения, уменьшение ее частотного сдвига, улучшение высокочастотных и высокоскоростных модуляционных характеристик предложенных Лазеров, что имеет большое практическое значение при их применении в современных волоконно-оптических линиях связи и других применениях.

Сущность предложенного в настоящем изобретении неочевидного Лазера состоит в модернизации области втекания и активного слоя ГС, на основе которой изготовлен Лазер. При этом в состав области втекания введены дополнительные оригинально расположенные основные настроечные слои, примыкающие к поверхности не содержащего подслоев активного слоя, а также предложенные другие оригинальные характеристики (расположение, составы, толщины, уровни легирования) основных и вспомогательных настроечных слоев, локализующих слоев, слоев втекания и их подслоев, отражательных слоев и их подслоев, что позволило соответствующим выбором толщин и составов слоев ГС реализовать оптимальное сочетание двух ее важнейших характеристик - результирующего усиления в активном слое и отношения n_эф/n_ВТ в области начальных (пороговых) токов, при котором достигаются наилучшие энергетические и пространственные характеристики Лазера.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, характеризуемую отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а именно: отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащая по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для