Инжекционный лазер

Инжекционный лазер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к полупроводниковым инжекционным лазерам, и может найти применение в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, в оборудовании для обработки материалов, в метрологии, полиграфии, медицине, системах оптической локации, робототехнике и других отраслях.

Подавляющее большинство полупроводниковых инжекционных лазеров выполняют в виде торцевых излучателей с полосковым контактом. Важными задачами разработки таких излучателей является максимальное повышение мощности излучения и улучшение качества лазерного пучка. Типичный торцевой полупроводниковый инжекционный лазер состоит из квантово размерной активной области, находящейся в нелегированном или слаболегированном волноводе. Волновод с двух сторон заключен между ограничительными слоями, имеющими меньший показатель преломления, чем волноводный слой. Ограничительные слои обычно выполняют роль эмиттеров, для чего один ограничительный слой легируют примесью n-типа, другой - примесью p-типа. Параметры волновода определяют модовый состав лазерного излучения. В общем случае может существовать несколько поперечных оптических мод, которые различают порядком m. Основная или фундаментальная мода имеет нулевой порядок (m=0). Излучательная рекомбинация инжектированных электронов и дырок в активной области приводит к возникновению усиления света. При достижении величины тока накачки выше порогового значения начинается лазерная генерация. Пороговое условие лазерной генерации:

где g - материальное усиление в активной области,

- фактор оптического ограничения (гамма-фактор) для активной области оптической моды m-порядка,

α_int,m, α_out,m - внутренние и внешние оптические потери для оптической моды m-порядка, соответственно.

В общем случае количество и профиль мод оптического волновода зависят от толщины волновода и показателей преломления волновода и ограничительных слоев. При увеличении толщины волновода при достижении определенной критической величины, зависящей от показателей преломления волноводного и ограничительных слоев, волновод может поддерживать моды высокого порядка. Таким образом, расширение лазерного волновода может приводить к лазерной генерации на модах высокого порядка и к многомодовой генерации. Это ведет к расширению диаграммы направленности излучения в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, и к возникновению в ней дополнительных максимумов, что ухудшает свойства лазера с точки зрения его практического применения. Расширение волновода при условии сохранения одномодового характера излучения имеет положительные эффекты: фундаментальная мода в более широком волноводе имеет меньший угол расходимости в диаграмме направленности; в более широком волноводе уменьшена плотность оптической мощности на лазерных зеркалах, что увеличивает их деградационную стойкость; уменьшаются оптические потери на свободных носителях в высоколегированных эмиттерах, поскольку в расширенном волноводе фундаментальная мода сильнее локализована в волноводном слаболегированном слое. Эти преимущества расширенного волновода особенно актуальны для полупроводниковых инжекционных лазеров повышенной мощности.

Известны различные подходы для увеличения размера излучающей области инжекционных лазеров и, соответственно, уменьшения расходимости лазерного пучка.

Так, известен инжекционный лазер (см. заявка US 20100150196, МПК H01S 5/00, опубликована 17.06.2010), состоящий последовательно из первого ограничительного слоя для ограничения оптической моды, первого волноводного слоя для распространения оптической моды, разделительного слоя для разделения оптической моды, второго волноводного слоя для распространения оптической моды, активного слоя для генерации оптической моды, третьего волноводного слоя для распространения оптической моды и второго ограничительного слоя для ограничения оптической моды. При этом первый, второй и третий волноводные слои имеют одинаковый показатель преломления, а первый ограничительный слой, разделительный слой, второй ограничительный слой имеют показатели преломления, меньшие показателей преломления первого, второго и третьего волноводных слоев. В известном инжекционном лазере три волноводных слоя являются составными частями одного волновода, который поддерживает только одну оптическую моду. Размер моды увеличен за счет ее проникновения в ограничительные слои. Увеличенный размер моды позволил сузить расходимость лазерного пучка до величин меньше 24 градусов (по уровню 0,5). Использование разделительного слоя формирует плечо в профиле распределения моды, пространственно совпадающее с активной областью, за счет чего увеличивается фактор оптического ограничения.

Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является существенное проникновение оптической моды в легированные ограничительные слои, что увеличивает оптические потери. Дальнейшее уменьшение расходимости лазерного пучка возможно только при увеличении толщин волноводных слоев и снижении скачка показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями, что еще больше увеличивает проникновение моды в ограничительные слои.

Известен инжекционный лазер (см. патент US 5923689, МПК H01S 3/19, опубликован 13.07.1999), состоящий послойно из GaAs подложки n-типа, GaAs буферного слоя n-типа толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирующей примеси 2·10¹⁸ см^-3, Al_0,5In_0,5P ограничительного слоя n-типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 4·10¹⁷см^-3, (Al_0,6Ga_0,4)_0,5In_0,5P пассивного волновода n-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10¹⁷ см^-3, Al_0,5In_0,5P барьерного слоя для пассивного волновода n-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10¹⁷ см^-3, (Al_0,6Ga_0,4)_0,5In_0,5P оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, Ga_0,42In_0,58P напряженной квантовой ямы собственного типа толщиной 80 ангстрем, (Al_0,6Ga_0,4)_0,5In_0,5P оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, Al_0,50In_0,5Р барьерного слоя для пассивного волновода p-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 5·10¹⁷ см^-3, (Al_0,6Ga_0,4)_0,5In_0,5P пассивного волновода p-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 5·10¹⁷ см^-3, Al_0.5In_0.5Р ограничительного слоя p-типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 5·10¹⁷ см^-3, GaInP слоя p-типа толщиной 100 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 1·10¹⁸ см^-3, GaAs проводящего слоя p-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10¹⁹ см^-3. Волновод известного инжекционного лазера поддерживает генерацию нулевой моды, которая распространяется по всем трем волноводным слоям.

В известном лазере удалось уменьшить расходимость лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до 18 градусов (по уровню 0,5). Однако в нем значительная часть оптической моды распространяется по легированным пассивным волноводным слоям, что увеличивает оптические потери. В пространственном распределении моды присутствуют дополнительные максимумы, поэтому профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля. Соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.

Известен инжекционный лазер (см. заявка US 20130287057, МПК H01S 5/20, опубликована 31.10.2013), состоящий из первого ограничительного слоя n-типа проводимости, первого волноводного слоя n-типа проводимости, прилегающего к первому ограничительному слою, активного слоя, способного генерировать излучение, примыкающего к первому волноводному слою, второго волноводного слоя p-типа проводимости, прилегающего к активному слою, второго ограничительного слоя p-типа проводимости, прилегающего ко второму волноводному слою. При этом сумма толщин первого волноводного слоя, активного слоя и второго волноводного слоя больше 1 мкм, а толщина второго волноводного слоя меньше 150 нм. Кроме того, активный слой, первый ограничительный слой, второй ограничительный слой, первый волноводный слой и второй волноводный слой таковы, что максимум интенсивности фундаментальной моды находится в области вне активного слоя, а разница показателей преломления первого волноводного слоя и первого ограничительного слоя лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01. Известный инжекционный лазер имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по первому волноводному слою. Малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем обеспечивает утекание мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счет чего моды высокого порядка не участвуют в лазерной генерации. Расширение волновода позволяет сузить диаграмму направленности лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до величин менее 50 градусов (ширина пучка, содержащая 95% оптической мощности).

В то же время в известном лазере малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем делает конструкцию чувствительной к изменениям показателей преломления слоев в процессе работы лазера; значительная часть нулевой моды распространяется по легированным первому волноводному слою и первому ограничительному слою, что приводит к высоким оптическим потерям; конструкция не применима в случае большого числа активных слоев, когда показатель преломления активной области существенно влияет на волноводные свойства.

Известен инжекционный лазер (см. заявка US 20040208215, МПК H01S 3/08, опубликована 21.10.2004), содержащий n-легированную область, по меньшей мере, часть которого содержит фотонный кристалл, включая слоистый, состоящий, по меньшей мере, из одного слоя. Каждый слой легирован примесью n-типа, слоистая структура имеет пространственную периодическую модуляцию показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению распространения света; дефект, граничащий с фотонным кристаллом. Этот дефект содержит слой, генерирующий свет при протекании инжектирующего тока, когда приложено прямое смещение, первый тонкий туннельный барьер для электронов, расположенный с n-стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные n-слои и нелегированные слои, второй туннельный барьер для дырок, расположенный с p-стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные p-слои и нелегированные слои, два слоя, между которыми находится первый туннельный барьер, два слоя, между которыми находится второй туннельный барьер. Инжекционный лазер также содержит n-легированную слоистую структуру, содержащую, по меньшей мере, один слой, каждый слой легирован примесью p-типа. Эта слоистая структура расположена около дефекта на стороне противоположной от n-легированной области. Эта p-легированная слоистая структура имеет показатель преломления, препятствующий расширению фундаментальной моды в эту структуру и в p-контакт.

В известном инжекционном лазере фундаментальная мода локализована на дефекте, а остальные моды растянуты по фотонному кристаллу, при этом толщина фотонного кристалла и дефект обеспечивают малую расходимость светового пучка. При использовании фотонного кристалла при толщине волновода 13,16 мкм можно уменьшить расходимость лазерного пучка до 4 градусов (по уровню 0,5). Конструкция может быть реализована для полупроводниковых лазеров, излучающих в разных спектральных диапазонах. Недостатком известного инжекционного лазера является содержание большое количество слоев в широком волноводе на основе фотонного кристалла, толщина и состав которых должны прецизионно контролироваться, что делает конструкцию технологически сложной для воспроизведения; кроме того, для уменьшения последовательного электрического сопротивления волновод легируют, что приводит к значительным оптическим потерям; профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля, соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.

Известен инжекционный лазер (см. A. Pietrzak, et al., High-powerlaserdiodesemittinglightabove 1100 nmwithasmallverticaldivergenceangleof 13°. - OpticsLetters, Vol. 33, No. 19, p. 2188, 2008), который включает первый и второй ограничительные слои, между которыми находится волновод толщиной вплоть до 5 мкм. В середине волноводного слоя находится активная область на основе квантовых ям. Толщина ограничительных слоев составляет величину 350 нм. Толщина волноводного слоя и контраст показателя преломления между волноводным и ограничительными слоями допускает существование в волноводе мод высокого порядка. За счет тонких ограничительных слоев моды высокого порядка эффективно проникают в прилежащие к ним слои. Такими прилежащими слоями являются контактный слой и подложка. Оба слоя имеют высокое легирование, поэтому оптическая мода, распространяющаяся по этим слоям, имеет значительное оптическое поглощение, и для нее не выполняется пороговое условие генерации. Волноводы такого типа за счет малых внутренних оптических потерь для фундаментальной моды позволяют изготавливать лазеры с длиной резонатора вплоть до 8 мм и получать оптические мощности до нескольких Ватт. Профиль оптической моды хорошо описывается функцией Гаусса, что положительным образом сказывается на качестве лазерного пучка. Конструкция позволяет получать лазерный пучок с расходимостью менее 15 градусов (по уровню 0,5) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры лазера.

Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является чувствительность к выбору толщин и составов волноводных и ограничительных слоев. В процессе работы известного лазера за счет разогрева и токовой инжекции изменяются показатели преломления волноводных и ограничительных слоев, что в отдельных случаях приводит к генерации мод высокого порядка, в том числе мод, отраженных от нижней поверхности подложки, и мод, переотраженных в верхнем контактном слое.

Известен инжекционный лазер (см. патент US 8355419, МПК H01S 5/00, опубликован 15.01.2013), включающий вертикальный волновод, содержащий первую полость (первый волновод), первый отражатель, расположенный с одной стороны от первой полости, второй отражатель, расположенный со второй стороны первой полости, напротив первого отражателя, по меньшей мере, одну вторую полость (второй волновод), расположенную со стороны второго отражателя напротив первого отражателя, по меньшей мере, один третий отражатель, расположенный на стороне второй полости напротив первого отражателя; светогенерирующий элемент, расположенный в пределах первой полости и способный производить оптическое усиление инжектированием тока при приложении прямого смещения; подложку, инжектор и продольный резонатор. Типичная толщина широкого волновода составляет 10-30 мкм. В качестве второго волновода может выступать подложка инжекционного лазера. Оптические моды двух волноводов взаимодействуют и образуют комбинированную моду, которая распространяется одновременно по двум волноводам. Диаграмма направленности этой моды в вертикальном направлении представляет собой два узких пика, направленных под углом к оси резонатора. Для подавления излучения между узкими пиками в диаграмме направленности в конструкцию известного лазера вводят элементы, препятствующие выводу излучения из узкого волновода через торцевые грани.

В известном инжекционном лазере лазерная генерация происходит на моде высокого порядка, за счет чего диаграмма направленности излучения состоит из двух пучков, каждый из которых направлен под углом к зеркалу, что затрудняет фокусировку излучения; использование легированного широкого пассивного волновода или легированной подложки приводит к росту оптических потерь, что препятствует использованию известного инжекционного лазера для получения высоких оптических мощностей.

Известен инжекционный лазер, наиболее близкий по технической сущности и совпадающий с настоящим решением по совокупности существенных признаков (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:

где и - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3 …), соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения. Расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.

В известном лазере-прототипе лазерная генерация на модах высокого порядка подавлена за счет уменьшения для этих мод фактора оптического ограничения. Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Однако в случае большого числа активных слоев фактор оптического ограничения слабо зависит от асимметрии положения активной области. Известный лазер-прототип имеет увеличенный порог лазерной генерации для фундаментальной моды, для него существуют ограничения по числу подавляемых мод, так как эффективно подавляется только мода второго порядка.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка инжекционного лазера, имеющего уменьшенную расходимость лазерного пучка в направлении, перпендикулярном слоям структуры, и увеличенную толщину волновода при сохранении лазерной генерации на фундаментальной поперечной моде.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

По первому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую, по меньшей мере, из одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения для активной области одной собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода удовлетворяет соотношению:

где - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.

Толщина Р₁, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d1 собственной моды первого одномодового волновода и минимальное значение n_s эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

N_d1=N_m+k·(n_f-n_s);

n_s=max (n_cl, n_P1);

где N_m - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;

k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;

n_f - показатель преломления многомодового волновода;

q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;

λ - длина волны излучения, нм;

n_cl - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоев;

n_P1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.

По второму варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

где - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.

Толщина P₁, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d1 собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р₂, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение n_s эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

N_d1=N_m+k·(n_f-n_s);

N_d2=N_n+k·(n_f-n_s);

n_s=max(n_P1; n_P2);

где N_m - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;

k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;

n_f - показатель преломления многомодового волновода;

N_n - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;

q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;

λ - длина волны излучения, нм;

n_P1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;

n_P2 - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя.

По третьему варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

где - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.

Толщина Р₁, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d1 собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р₂, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d2 собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение n_s эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

N_d1=N_m+k·(n_f-n_s);

N_d2=N_n+k·(n_f-n_s);

n_s=max(n_P1, n_cl);

где N_m - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;

k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;

n_f - показатель преломления многомодового волновода;

N_n - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;

q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;

λ - длина волны излучения, нм;

n_P1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;

n_P2 - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;

n_cl - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоев.

По четвертому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантово размерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и другим из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода и фактор оптического ограничения для активной области собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

где - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.

Толщина Р₁, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d1 собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р₂, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р₃, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d3 собственной моды третьего одномодового волновода и минимальное значение n_s эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

N_d1=N_m+k·(n_f-n_s);

N_d2=N_n+k·(n_f-n_s);

N_d3=N_L+k·(n_f-n_s);

n_s=max(n_P1, n_P3);

где N_m - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;

k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;

n_f - показатель преломления многомодового волновода;

N_n - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;

N_L - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода;

q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;

λ - длина волны излучения, нм;

n_P1 - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;

n_P2 - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;

n_P3 - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя.

По пятому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены третий одномодовый волновод, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой, четвертый одномодовый волновод и четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между третьим одномодовым волноводом и четвертым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода, фактор оптического ограничения для активной области собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n) многомодового волновода и фактор оптического ограничения для активной области собственной j-моды (j - целое положительное число, не равное m, n и L) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

где - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.

Толщина Р₁, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d1 собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р₂, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d2 собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р₃, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d3 собственной моды третьего одномодового волновода, толщина Р₄, нм, четвертого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N_d4 собственной моды четвертого одномодового волновода и минимальное значение n_s эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:

N_d1=N_m+k·(n_f-n_s);

N_d2=N_n+k·(n_f-n_s);

N_d3=N_L+k·(n_f-n_s);

N_d4=N_j+k·(n_f-n_s);

n_s=max(n_P1, n_P3);

где N_m - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;

k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;

n_f - показатель преломления многомодового волновода;

N_n - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;

N_L - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода;

N_j - эффективный показатель преломления с