ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/19 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к мощным много-, одномодовым и/или одночастотным источникам излучения, а именно к полупроводниковым оптическим усилителям, которые наряду с инжекционными лазерами применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании лазерных источников излучения в видимой области спектра (красного, зеленого и синего излучения) за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах, медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, также в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, в современных волоконно-оптических системах связи.

Традиционно полупроводниковый оптический усилитель (далее ПОУ) состоит из задающего источника входного излучения, выход которого оптически связан оптической системой со входом усилительного элемента (далее УЭ) [1, 2]. Оптическими сигналами обычно являются спонтанное суперлюминесцентное или лазерное излучения. ПОУ в силу своих особенностей: малые габариты, большой коэффициент усиления на единицу длины, высокая эффективность, потенциально невысокая стоимость, возможность интегрирования в оптоэлектронные схемы и т.д. , безусловно имеет большие перспективы использования как при построении сложных, в частности разветвленных сетей связи, так и при создании эффективных источников излучения с высокой мощностью.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является полупроводниковый оптический усилитель, включающий задающий источник входного излучения, например инжекционный лазер, вводимого при работе усилителя под углом ввода δ в оптически связанный с источником усилительный элемент, последний выполнен на основе полупроводниковой лазерной гетероструктуры, содержащей активный слой с показателем преломления, равным n_a, и шириной запрещенной зоны, равной E_a, эВ, помещенный между двух ограничительных слоев, в каждом из которых по крайней мере по одному подслою, а также активную область усиления шириной W_вх, мкм, в ее начале, шириной W_вых, мкм, в ее конце и длиной L_oy, мкм, с первыми оптическими гранями, ограничивающими с торцевых сторон начало и конец активной области усиления и образующими углы наклона ψ₁ и ψ₂ с плоскостью, перпендикулярной продольной оси активного слоя, названной перпендикулярной, покрытия, омические контакты, барьерные области, средство подавления паразитных излучений [3].

Основные особенности известного ПОУ [3] могут быть пояснены с помощью фиг. 1, на которой схематически изображено его продольное сечение, и фиг.2 - вида сверху.

ПОУ состоит (см. фиг. 1) из задающего источника 1 входного излучения, оптической системы 2 формирования излучения и УЭ 3, интегрированного с элементами ввода и вывода оптического излучения. УЭ 3 в ПОУ [3] (см. фиг. 1) выполнен в виде полупроводниковой лазерной гетероструктуры 4, помещенной на подложке 5 и состоящей из активного слоя 6, ограничительных слоев 7 и 8, расположенных по обе стороны от активного слоя 6, а также контактного слоя 9, помещенного на ограничительном слое 7. Ограничительный слой 8 размещен на подложке 5. В известном УЭ 3 [3] ограничительные слои 7 и 8 симметричны относительно активного слоя по составу и толщине слоев и таковы, что обеспечивают в конце данных слоев спадание практически до нуля интенсивности Q, Вт/см², усиливаемого излучения, распространяемого при работе прибора. Сильнолегированный контактный слой 9 предназначен для выполнения к нему омического контакта 10. Второй омический контакт 11 выполнен к подложке 5 на ее наружной поверхности.

Активная область усиления (см. фиг.2) выполнена путем формирования мезаполоски 12 с помощью барьерных областей 13, линейно расширяемой от начальной ширины W_вх, равной 10 мкм, у входного торца активной области усиления до конечной ширины W_вых, равной 160 мкм, у выходного торца активной области усиления. Длина L_oy ПОУ была равной 1500 мкм. Отметим, что продольная ось активной области усиления, лежащая в активном слое 6 и являющаяся оптической осью усиления УЭ 3, расположена на одной оптической оси с оптической осью задающего источника 1 и оптической системы 2. Средствами ввода входного излучения в активную область усиления и вывода из нее излучения после усиления являются оптическая грань 14 входного торца активной области усиления и оптическая грань 15 выходного торца активной области усиления, условно нами названные первыми оптическими гранями, с нанесенными на них антиотражающими покрытиями 16, коэффициент отражения R которых в данном случае составлял R ~ 0,003. Оптические грани 14 и 15 помещены под углами наклона ψ₁ и ψ₂ по отношению к плоскости, перпендикулярной к оптической оси усиления, названной нами перпендикулярной плоскостью. В устройстве [3] оптические грани 14 и 15 УЭ 3 параллельны перпендикулярной плоскости. Размер входной и выходной апертур для известного УЭ [3] соответственно равны
S_вх = d_oy • W_вх, (1)
S_вых = d_oy • W_вых, (2)
где d_oy - толщина активной области усиления, которая обычно не превышает 1 мкм, поэтому для УД 3 известного ПОУ [3] S_вх не более 10 мкм², а S_вых не более 160 мкм².

В качестве средства, обеспечивающего подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала (СППИ) в известном УД 3 [3], используют антиотражающее покрытие 16, нанесенное на первую оптическую грань 15 выходного торца активной области усиления.

В качестве задающего источника 1 входного излучения в известном ПОУ [3] использован задающий лазерный диод с одномодовым излучением мощностью P_3Ивых, равной 100 мВт. Входное излучение фокусировали в пятно размером 1 x 4 мкм оптической системой 2 на оптическую грань 14. При этом входные лучи вводятся в активную область усиления под различными углами ввода δ . Это обеспечивало введение входной мощности P_вх в УЭ 3, равной 25 мВт, в начальный торец активной области усиления, активного слоя 6.

При пропускании рабочего тока I_нак, равном 3 А, через известный УЭ 3 [3] было получено 2,5 Вт выходной усиленной мощности P_вых излучения. Эффективный угол расходимости в горизонтальной плоскости (в известном УД 3 [3] ею является плоскость активного слоя) равен 0,29^o, что соответствует дифракционно-ограниченной расходимости для указанного размера апертуры 160 мкм. В вертикальной плоскости (ею является плоскость, проходящая через продольную ось активного слоя и перпендикулярная слоям лазерной гетероструктуры) угол расходимости θ_⊥ , как и для обычных излучателей инжекционного типа, был большим и равен примерно 35.

Известному ПОУ [3] свойственны существенные недостатки:
- малый размер входной апертуры в перпендикулярном к активному слою 6 направлении (обычно не более 1,0 мкм), что приводит к потерям входного сигнала и трудностям юстировки при его вводе,
- малый размер выходной апертуры d_oy в указанном выше направлении (обычно не более 1,0 мкм), что приводит к большой расходимости и высокому астигматизму выходного усиленного сигнала, а также большой плотности излучения на первой оптической грани 16 и трудностям с подавлением паразитных (отраженных) излучений,
- ограничение эффективной длины L_oy, обусловленное известными большими оптическими потерями в активной области усиления,
- ограниченное значение выходной мощности усиленного излучения, определяемое как малым объемом активной среды устройства (при малой величине L_oy), так и малой площадью выходной апертуры усиленного излучения на первой оптической грани 14, приводящей к достижению предельных плотностей разрушения указанной оптической грани 14 при относительно небольших абсолютных значениях мощностей усиленного излучения и, как следствие этого, низкая долговечность и надежность.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение площади входной и выходной апертур устройства, уменьшение угла расходимости и астигматизма выходного усиленного излучения, достижение возможности получения различных направлений ввода и вывода усиленного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое, а также увеличения эффективной длины области усиления, что в совокупности приводит к повышению выходной мощности, эффективности, долговечности и надежности ПОУ при упрощении технологии изготовления и возможности реализации усилителя многолучевого, многокаскадного, а также в интегральном исполнении.

Предложен полупроводниковый оптический усилитель, в котором входное излучение сформировано коллимированным, угол ввода δ равен углу падения излучения на поверхность ввода, усилительный элемент выполнен по крайней мере с одной активной областью усиления, в нем по крайней мере с одной стороны лазерной гетероструктуры, введен по крайней мере один дополнительный слой, причем смежный с лазерной гетероструктурой дополнительный слой обозначен областью ввода-вывода излучения, для которого она прозрачна и выполнена по крайней мере из одного подслоя, причем смежные подслой ограничительного слоя и подслой области ввода-вывода излучения сформированы по крайней мере из одной области и по крайней мере из одной подобласти соответственно поверхность области ввода-вывода излучения, со стороны границы с лазерной гетероструктуры, названная внутренней, выполнена длиной L_ОВВВ, мкм, не менее длины L_oy, введены по крайней мере две дополнительные вторые оптические грани, образующие углы наклона ψ₃ и ψ₄ с перпендикулярной плоскостью, причем область ввода-вывода выполнена шириной не менее ширины активной области усиления, толщиной d_ОВВ, мкм, имеющей показатели преломления noBBq подслоев и коэффициенты их оптических потерь α_OBBq, см^-1, где q = 1, 2,..., p определены как целые числа, означающие порядковый номер подслоев области ввода-вывода излучения, исчисляемый от ее границы с лазерной гетероструктурой, при этом в работающем устройстве коэффициент полезных потерь α_ВИ, см^-1, для вытекающего из активного слоя усиленного излучения на границе подслоя ограничительного слоя с областью ввода-вывода излучения выбран из диапазона значений, ограниченных с нижней стороны диапазона, α_ВИmin, см^-1, допустимым минимальным значением эффективности преобразования электрической мощности, подводимой к активной области усиления во время работы усилителя, в мощность усиленного излучения и с верхней стороны диапазона α_ВИmax, см^-1, допустимым максимальным значением плотности рабочего тока, причем углы, образованные в области ввода-вывода излучения нормалью фронта втекающего излучения и нормалью фронта вытекающего усиленного излучения с плоскостью активного слоя лазерной гетероструктуры, обозначены соответственно углом втекания ξ и углом вытекания ϕ, угол полного внутреннего отражения для вытекающего излучения в области ввода-вывода излучения обозначен углом отражения σ, при этом угол ввода δ, зависимый от угла наклона ψ₃, определен выбором равенства угла втекания ξ углу вытекания ϕ, углы ξ и σ удовлетворяют соотношениям
ξ = arccos (n_эфф/n_ОВВ1) и σ =arcsin (1/n_ОВВq),
а эффективный показатель преломления n_эфф лазерной гетероструктуры в совокупности с областью ввода-вывода излучения и показатель преломления n_ОВВ1 области ввода-вывода излучения с учетом выполнения условия вытекания излучения из лазерной гетероструктуры удовлетворяют соотношениям

при n_эффmin больше n_min,
где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур в совокупности с областями ввода-вывода излучения, a n_min - наименьший из показателей преломления слоев лазерной гетероструктуры.

Для снижения потерь, связанных с растеканием инжекционных токов, W_вх, мкм, активной области усиления выбирают равным W_вых, мкм.

Для получения дифракционно-ограниченной расходимости выходного излучения в плоскости, параллельной слоям лазерной гетероструктуры, W_вых активной области усиления выбирают большим W_вх.

Для увеличения мощности область ввода-вывода излучения предложено выполнять из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности для длины волны λ, мкм, излучения, усиливаемого при работе устройства.

В преимущественных случаях исполнения устройства область ввода-вывода излучения может быть выполнена из полупроводника, имеющего ширину запрещенной зоны E_ОВВ1, эВ, превышающую E_а, эВ, более чем на 0,09 эВ, с толщиной d_ОВВ, выбранной из диапазона 5...50000 мкм.

Для увеличения эффективности и выходной мощности, а также эффективной длины усиления срединную плоскость активного слоя предложено располагать на таком расстоянии от внутренней поверхности дополнительного слоя, при котором интенсивность усиленного излучения в указанной срединной плоскости активного слоя, возникающая при работе усилителя, отлична от максимальной не более чем на 20%.

Для получения направления ввода и вывода усиленного излучения с малым отклонением от оптической оси усиления в активном слое целесообразно по крайней мере один из подслоев ограничительных слоев лазерной гетероструктуры выполнять с показателем преломления не менее n_OBB1
Для улучшения надежности работы усилителей предложено смежный с областью ввода-вывода излучения слой лазерной гетероструктуры выполнять по крайней мере из двух областей, граничащие поверхности которых перпендикулярны плоскости активного слоя. При этом либо показатели преломления, либо толщины соседних областей подслоя выбирают различными.

Для более эффективного подавления паразитных излучений наружный дополнительный слой выполнен из материала, поглощающего усиливаемое излучение.

В случае выполнения омических контактов на внешней поверхности со стороны дополнительных слоев усилительного элемента следует выполнять область ввода-вывода излучения электропроводной, а при наличии других дополнительных слоев они также должны быть электропроводными.

Для увеличения эффективной длины усилителя и, следовательно, его выходной мощности и эффективности область ввода-вывода излучения следует выполнять из материала, имеющего коэффициент оптических потерь α_OBB не более 0,1 см^-1. В отдельных случаях для упрощения технологии изготовления целесообразно область ввода-вывода излучения формировать из двух подслоев, при этом первый подслой, граничащий с лазерной гетероструктурой, выбирать электропроводным, к нему выполнять омический контакт, а второй подслой выполнять из материала, имеющего коэффициент оптических потерь α_OBBq не более 0,1 см^-1.

Кроме того, омический контакт со стороны области ввода-вывода излучения может быть сформирован к одному из электропроводных подслоев ограничительного слоя, расположенного между активным слоем и областью ввода-вывода излучения. При этом для упрощения технологии изготовления и сохранения выходной мощности и эффективности целесообразно омический контакт выполнять к электропроводному слою, имеющему наименьшее значение ширины запрещенной зоны.

Возможны различные конструкции области ввода-вывода излучения.

Для реализации ввода излучения через вторую оптическую грань с антиотражающим покрытием, выполненную параллельно перпендикулярной плоскости, угол ввода δ выбирают удовлетворяющим условию arcsin (n_ОВВsin ξ ).

Для реализации ввода излучения через наружную поверхность области ввода-вывода излучения антиотражающее покрытие формируют на определяемой размером входной апертуры части поверхности области ввода-вывода излучения, противолежащей ее внутренней поверхности и прилегающей ко второй оптической грани со стороны ввода излучения, образующей тупой угол с плоскостью активного слоя и сформированной под углом наклона ψ₃, выбираемого из диапазона [(π/4)-(ξ/2)-(σ/2)] ... [(π/4)-(ξ/2)+(σ/2)]. Причем если входное излучение направлено по нормали к поверхности ввода, то угол наклона ψ₃ выбирают равным [(π/4)-(ξ/2)].
Для реализации ввода излучения через вторую оптическую грань с антиотражающим покрытием, образующую острый угол с плоскостью активного слоя, ее выполняют под углом наклона ψ₃, выбираемом из диапазона (ξ-σ) ... (ξ+σ). Причем если при работе усилителя входное излучение направлено по нормали к указанной оптической грани, то угол наклона ψ₃ выбран равным углу втекания ξ.
Для реализации вывода излучения через вторую оптическую грань с антиотражающим покрытием, образующую острый угол с плоскостью активного слоя, ее выполняют с углом наклона ψ₄, выбираемым из диапазона (ϕ-σ) ... (ϕ+σ). Причем для получения при работе усилителя выходного излучения направленного по нормали к поверхности вывода угол наклона ψ_4/ выбирают равным углу вытекания ϕ.

Для реализации вывода излучения через вторую оптическую грань с антиотражающим покрытием, выполненной параллельно перпендикулярной плоскости, угол вытекания ϕ выбирают меньше угла полного внутреннего отражения σ. .

Для реализации ввода и вывода излучения через одну и ту же вторую оптическую грань предложено на одной из вторых оптических граней выполнять отражающее покрытие и сформировать ее параллельно перпендикулярной плоскости, на другой противоположной второй оптической грани выполнять антиотражающее покрытие, причем ввод излучения предусмотрен через одну, определяемую размером входной апертуры, ее часть, размещенную, начиная от границы второй оптической грани с внутренней поверхностью области ввода-вывода излучения на расстоянии не более L_oytg ϕ , а вывод излучения предусмотрен через ту же грань в другой ее части. В частном случае, для повышения выходной мощности предложено на первую оптическую грань, смежную со второй оптической гранью с отражающим покрытием, нанести отражающее покрытие.

Для реализации вывода излучения через поверхность области ввода-вывода, противолежащей внутренней, антиотражающее покрытие выполнено на определяемой размером выходной апертуры части поверхности области ввода-вывода излучения, противолежащей внутренней поверхности последней и прилегающей ко второй оптической грани со стороны вывода излучения, образующей тупой угол с плоскостью активного слоя и сформированной под углом наклона ψ₄, выбираемом в диапазоне [(π/4)-(ϕ/2)-(σ/2)] ... [(π/4)-(ϕ/2)+(σ/2)]. Причем для вывода, при котором выходное излучение направлено по нормали к поверхности вывода, угол наклона ψ₄ выбирают равным [(π/4)-(ϕ/2)].
Для получения многолучевого усилителя предложено область ввода-вывода излучения выполнять из по крайней мере двух подобластей, первая из которых оптически взаимосвязана с задающим источником, подобласти разделены вторыми оптическими гранями для вывода излучения при работе усилителя из каждой подобласти. Наклон граней, формирующих подобласти, может отличаться от наклона второй оптической грани со стороны ввода излучения. При этом возможен выбор различных сочетаний углов наклона ψ₃ и ψ₄ для реализации вывода излучений, в том числе по нормали к плоскости активного слоя. Например, для вывода излучения через поверхность лазерной гетероструктуры, противоположную размещению области ввода-вывода излучения, предложено вторые оптические грани со стороны вывода излучения, образующие острый угол с плоскостью активного слоя, сформировать под углом наклона ψ₄, выбираемым в диапазоне [(π/4)+(ϕ/2)-(σ/2)] ... [(π/4)+(ϕ/2)+(σ/2)], а в областях их проекций на поверхности лазерной гетероструктуры, противоположной расположению области ввода-вывода излучения, выполнять антиотражающие покрытия.

Для реализации многокаскадного усилительного элемента предложено по крайней мере две активные области усиления, имеющие одинаковые углы втекания ξ и вытекания ϕ для каждой области усиления, формировать одной поверхности области ввода-вывода излучения, либо
по крайней мере две активные области усиления формировать вдоль одной линии, параллельной поверхности области ввода-вывода излучения и плоскости активного слоя, с шагом между началами активных областей, равным 2d_ОВВ/tg ϕ , либо
по крайней мере по одной активной области усиления, имеющих одинаковые углы втекания ξ и вытекания ϕ для каждой области усиления, формировать на противоположных поверхностях области ввода-вывода излучения, либо
по крайней мере по одной активной области усиления формировать вдоль каждой из двух линий, параллельных между собой и расположенных на противоположных поверхностях, при кратчайшем расстоянии между началами активных областей усиления на противоположных сторонах, равном d_ОВВ/sin ϕ .

Для получения направленного суперлюминесцентного излучения при упрощении технологии изготовления ПОУ при дискретном исполнении задающий источник входного излучения предложено формировать в виде второго усилительного элемента. Для реализации задающего источника, входное излучение которого при работе устройства обладает характеристиками лазерного излучателя, в активную область усиления второго усилительного элемента предложено ввести отражатели.

Для получения интегрального полупроводникового оптического усилителя с суперлюминесцентным излучением предложено активную область усиления задающего источника размещать на области ввода-вывода излучения усилительного элемента, причем угол вытекания ϕ активной области усиления задающего источника одинаков с углом втекания ξ активной области усиления усилительного элемента. Для получения лазерного излучения предложено в активную область усиления задающего источника ввести отражатели.

При этом для интегрального исполнения возможны модификации:
активные области усиления задающего источника и усилительного элемента предложено размещать на одной поверхности на области ввода-вывода излучения,
в одном из случаев, активные области усиления задающего источника и усилительного элемента предложено размещать на одной линии, параллельной поверхности области ввода-вывода излучения и плоскости активного слоя, с шагом между началами активных областей, равным 2d_ОВВ/tg ϕ ,
активные области усиления задающего источника и усилительного элемента предложено размещать на противоположных поверхностях области ввода-вывода излучения,
в одном из случаев, активные области усиления задающего источника и усилительного элемента предложено формировать вдоль каждой из двух линий, параллельных между собой, расположенных на противоположных поверхностях, при кратчайшем расстоянии между началами активных областей усиления на противоположных поверхностях, равном d_ОВВ/sin ϕ .

Как для каскадного усилительного элемента, так и для предложенных дискретных и интегральных модификаций ПОУ предложено по крайней мере часть по крайней мере одной поверхности области ввода-вывода излучения выполнена отражающей.

Для дискретного и интегрального исполнений при реализации задающего источника, входное излучение которого при работе устройства обладает характеристиками лазерного излучателя, также предложено:
отражатели выполнять в виде отражающих покрытий,
отражатели выполнены в виде брегговских распределенных отражателей,
отражатели выполнены в виде распределенных отражателей обратной связи вдоль всей длины активной области усиления задающего источника.

Существом настоящего изобретения является новое, неочевидное предложение по распределенному вводу входного коллимированного излучения в усилительный элемент и распределенному выводу усиленного дифракционно-ограниченного с малым углом расходимости излучения из усилительного элемента. В предложенных ПОУ ввод входного сигнала, так же как и вывод усиленного излучения, происходит одновременно вдоль всей длины усилительного элемента, равной длине активной области усиления, которая многократно превосходит ее толщину. Это достигается неочевидной совокупностью всех существенных признаков, включающих ввод входного излучения с использованием коллимированного луча, падающего под заданными углами на поверхность ввода от задающего источника, введением в усилительный элемент ПОУ предложенного нами нового и неочевидного средства ввода излучения, оригинально объединенного в единое (интегральное) средство ввода-вывода, включающее всю лазерную гетероструктуру и дополнительно введенную область ввода-вывода излучения, ограниченную с торцевых сторон дополнительно введенными вторыми оптическими гранями, а также сформулированным нами комплексом оригинальных и неочевидных требований к характеристикам используемой лазерной гетероструктуры, к веществу самой области ввода-вывода, к наклону ее оптических граней.

Существом настоящего изобретения также являются предложенные новые конструкции ПОУ с многолучевым выводом излучения, с многокаскадным усилительным элементом, в интегрированном исполнении с задающим источником входного суперлюминесцентного или лазерного излучения в виде аналогичного усилительного элемента.

Следует отметить, что только вся предложенная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную нами техническую задачу и на решение каждой части технической задачи влияют все предложенные существенные признаки изобретения.

Настоящее изобретение поясняется фиг. 3 - 25.

На фиг. 3 схематично изображено продольное (вдоль оптической оси усиления в активном слое) сечение конструкции усилительного элемента предлагаемого ПОУ с вводом и выводом излучения через вторые оптические грани, помещенные под острыми углами к плоскости активного слоя, и с омическим контактом к наружной поверхности оптически однородной области ввода-вывода.

На фиг. 4 схематично изображено продольное сечение конкретной лазерной гетероструктуры с областью ввода-вывода излучения, каждый из ограничительных слоев которой содержит по одному подслою с показателями преломления, равными n_ОВВ.

На фиг. 5 схематично изображено изменение показателя преломления в направлении, перпендикулярном слоям лазерной гетероструктуры, изображенной на фиг. 4.

На фиг. 6 графически изображено распределение интенсивности усиленного излучения в ближнем поле (расчетные данные) с наложенным изменением показателей преломления в соответствующих слоях лазерной гетероструктуры, представленных на фиг. 5.

На фиг. 7 графически изображено распределение интенсивности усиленного излучения в дальнем поле в перпендикулярной плоскости (расчетные данные).

На фиг. 8 - 10 схематично изображены продольные сечения конструкций гетероструктур для различных модификаций усилительного элемента предложенного ПОУ:
на фиг. 8 - подслой ограничительного слоя лазерной гетероструктуры, смежный с областью ввода-вывода излучения, состоит из двух областей с различными значениями показателей преломления,
на фиг. 9 - область ввода-вывода излучения выполнена из двух подслоев различной электропроводности,
на фиг. 10 - с наружной стороны области ввода-вывода излучения выполнен второй дополнительный слой поглощения.

На фиг. 11 - 13 схематично изображены поперечные сечения конструкций УЭ предлагаемого ПОУ при различных вариантах выполнения омического контакта, а именно
на фиг. 11 - к электропроводному дополнительному слою (области ввода-вывода излучения, являющейся подложкой),
на фиг. 12 - к электропроводному подслою, имеющему наименьшее значение ширины запрещенной зоны среди подслоев ограничивающего слоя, смежного с областью ввода-вывода излучения,
на фиг. 13 - к электропроводному подслою области ввода-вывода излучения, смежному с лазерной гетероструктурой.

На фиг. 14 - 17 схематично изображены продольные сечения различных конструкций УЭ с одной подобластью области ввода-вывода излучения:
на фиг. 14 - с вводом и выводом излучения через вторые оптические грани, параллельные перпендикулярной плоскости,
на фиг. 15 - с вводом излучения через вторую оптическую грань, параллельную перпендикулярной плоскости, и с выводом излучения через вторую оптическую грань, помещенную под острым углом к плоскости активного слоя,
на фиг. 16 - со вторыми оптическими гранями, помещенными под тупыми углами к плоскости активного слоя и вводом и выводом излучения через наружную поверхность области ввода-вывода излучения,
на фиг. 17 - с вводом и выводом излучения через вторую оптическую грань, параллельную перпендикулярной плоскости, с однократным отражением усиленного излучения в области ввода-вывода излучения от второй оптической грани.

На фиг. 18 - 19 схематично изображены продольные сечения предлагаемого ПОУ с областями ввода-вывода излучения, разделенными вторыми оптическими гранями на несколько подобластей, с вводом излучения через первую подобласть и многолучевым выводом излучения через:
на фиг. 18 - наружные поверхности каждой подобласти, причем вторые оптические грани каждой подобласти помещены под тупыми углами к плоскости активного слоя, кроме грани ввода, помещенной под острым углом,
на фиг. 19 - вторые оптические грани, помещенные под острыми углами к плоскости активного слоя и пересекающиеся на границе области ввода-вывода излучения с лазерной гетероструктурой.

На фиг. 20 схематично изображено продольное сечение конструкции предлагаемого дискретного ПОУ с суперлюминесцентным излучением, в котором задающий элемент выполнен в виде усилительного элемента.

На фиг. 21 схематично изображено продольное сечение конструкции предлагаемого дискретного ПОУ, в котором задающий элемент выполнен в виде инжекционного лазера с областью вывода излучения.

На фиг. 22 - 25 схематично изображены различные конструкции ПОУ в интегральном исполнении:
на фиг. 22 - усиливающие активные области ПОУ с суперлюминесцентным излучением размещены с одной стороны области ввода-вывода излучения (продольный разрез),
на фиг. 23 - генерирующая и усиливающие активные области размещены с одной стороны области ввода-вывода излучения (продольный разрез),
на фиг. 24 - генерирующая и усиливающие активные области размещены с одной стороны области ввода-вывода излучения (вид сверху),
на фиг. 25 - генерирующая и усиливающие активные области размещены с противоположных сторон области ввода-вывода излучения (продольный разрез).

Предложенный ПОУ, схематически изображенный на фиг. 3, содержит задающий источник 1, оптическую систему 2 формирования входного излучения, размещенные на одной оптической оси, и усилительный элемент (УЭ) 3, продольная ось активной области усиления которого не является продолжением оптической оси первых двух элементов. УЭ 3 включает полупроводниковую лазерную гетероструктуру 4, содержащую активный слой 6, помещенный между ограничительными слоями 7 и 8, а также область ввода-вывода излучения (далее ОВВИ) 17 в данном случае в виде подложки 5.

Со стороны ввода и вывода излучения ОВВИ 17 ограничена вторыми оптическими гранями 18 и 19 соответственно с антиотражающими покрытиями 16. В конструкции фиг. 3 вторые оптические грани 18 и 19 образуют острый угол с плоскостью активного слоя 6 и направлены под углами наклона ψ₃ и ψ₄ к перпендикулярной плоскости. По абсолютной величине углы равны между собой и углу вытекания ϕ, имеющему значение arccos(n_эфф/n_ОВВ [4]. Внутренняя поверхность 20 ОВВИ 17 граничит с ограничительным слоем 8 и имеет длину L_ОВВВ вдоль оси усиления излучения не менее длины L_oy. Наружная поверхность 21 ОВВИ 17 имеет длину L_ОВВН, меньшую длины L_ОВВВ. На последней выполнен омический контакт 11. Первые оптические грани 14 и 15 (см. фиг. 1) в предложенном ПОУ для рассматриваемой конструкции (см. фиг. 3) являются продолжением соответствующих вторых оптических граней 18 и 19 и на них также нанесены антиотражающие покрытия 16. Со стороны, противоположной размещению ОВВИ 17, на контактном слое 9 выполнен омический контакт 10. Условными линиями со стрелочками изображены направления сколлимированного входного излучения от задающего источника 1 с углом ввода δ ко второй и оптической грани 18 и дифракционно-ограниченного выходного усиленного излучения с углом преломления ε ко второй оптической грани 19. Для рассматриваемой конструкции (см. фиг. 3) при работе прибора ввод и вывод излучения происходит по нормалям к соответствующим вторым оптическим граням. Тем же способом указано направление втекающего излучения в лазерную гетероструктуру 4 под углом втекания ξ и вытекающего излучения из лазерной гетероструктуры 4 под углом вытекания ϕ внутри ОВВИ 17.

На продольном разрезе УЭ 3 (см. фиг. 4) изображена последовательность оптически однородных слоев либо подслоев лазерной гетероструктуры с одной оптически однородной подобластью ОВВИ 17 и контактным слоем 9. Ограничительный слой 7 состоит из двух подслоев 22 и 23, активный слой 6 из одного подслоя и ограничительный слой 8 состоит из двух подслоев 24 и 25, причем смежным с ОВВИ 17 является слой 25.

Подслой 25 лазерной гетероструктуры 4, смежный с ОВВИ 17, может быть выполнен из двух областей 26 и 27 (см. фиг. 8). ОВВИ 17 может быть выполнена из двух подслоев 28 и 29 (см. фиг. 9). С наружной стороны ОВВИ 17 может быть выполнен дополнительный слой 30 (см. фиг. 10).

На поперечных разрезах УЭ 3 (см. фиг. 11 - 13) изображены различные варианты омических контактов 11 к ОВВИ 17, формирования барьерных областей 13 для создания мезаполосок 12.

Наряду с антиотражающими покрытиями 16 в конструкциях УЭ 3 предложенного ПОУ могут быть использованы отражающие покрытия 31 (см. фиг. 17, 21, 23-25).

На фиг. 18, 19 изображены продольные разрезы конструкций УЭ 3 с подобластями 32 ОВВИ 17, в которых реализован многолучевой вывод излучения.

Для ПОУ в дискретном либо интегральном исполнении (см. фиг. 21, 23 - 25) обратная связь, вводимая в активную область усиления задающего источника 1, может быть выполнена в виде либо оптических резонаторов с плоскими зеркалами (см. фиг. 23, 24), либо распределенной обратной связи 33 (см. фиг. 25), либо резонаторов Фабри-Перо, либо брегговскими распределенными отражателями (последние на фигурах не показаны).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении к источнику питания в активный слой 6 УЭ 3 предложенного ПОУ инжектируются неравновесные носители, создающие в нем, как и в УЭ 3 известного ПОУ (см. устройство прототипа [3]), усиление вводимого в активную область входного излучения с длиной волны λ , мкм, или длинами волн в пределах полосы усиления устройства. Основное отличие предлагаемого УЭ 3 состоит в конструкции средств ввода и вывода излучения и, как следствие этого, изменение направленности входного и выходного излучений внутри и вне УЭ 3. В отличие от устройства прототипа [3] нами предложено средство ввода входного сигнала и средство вывода усиленного излучения выполнять единым, интегрирующим все полупроводниковые слои лазерной гетероструктуры 4 и ОВВИ 17, с вводом и выводом излучения через соответствующие вторые оптические грани 18 и 19 (см. фиг. 3).

Выбором составов и толщин полупроводниковых слоев лазерной гетероструктуры 4, а также составом ОВВИ 17 (см. фиг. 4 и 5) создают такие условия, чтобы заданная часть входного излучения от задающего источника 1, введенная при соответствующих условиях в ОВВИ 17, втекала в активную область усиления и после соответствующего усиления в ней заданная часть усиленного излучения обратно вытекала в ту же область ОВВИ 17.

Условия вытекания реализуются, когда выполняется соотношение: показатель преломления n_ОВВ области ввода-вывода излучения превышает эффективный показатель преломления n_эфф всей гетероструктуры, т.е.

n_ОВВ > n_эфф (3)
или, что тоже самое, угол вытекания ϕ превышает нуль, т.е.

ϕ = arccos (n_эфф/n_ОВВ) > 0 (4)
Соотношение (3) является известным условием (см., например, [4]), при выполнении которого часть излучения, распространяемого в оптическом волноводе лазерной гетероструктуры, будет вытекать из активного слоя. Величина n_эфф может быть получена расчетным путем из известного β = (2π/λ)n_эфф соотношения [4], где β - модуль комплексной величины постоянной распространения в направлении оси усиления для усиливаемой волны излучения в указанной выше лазерной гетероструктуре 4 в совокупности с ОВВИ 17, а λ - длина волны излучения [4].

Для нашего случая многослойной гетероструктуры выбранной нами конструкции, мы предложили использовать известный в оптике принцип обратимости прохождения хода лучей в оптических системах и предположили, что универсальное условие (3) применимо не только для вытекающего в ОВВИ 17, но и для втекающего из ОВВИ 17 излучения. Дальнейшие расчеты и проведенные эксперименты подтвердили правоту данного предположения. Поэтому считаем, что угол втекания ξ должен быть равен углу вытекания ϕ т.е.

ξ = ϕ = arccos(n_эфф/n_OBB) (5)
Это обстоятельство позволило нам сформулировать требование к задающему источнику входного излучения, необходимое для функционирования предложенного ПОУ. Суть этого требования в следующем. При вводе излучения через плоскую вторую оптическую грань 18 входное излучение от задающего источника 1 должно быть сколлимированным и иметь такой угол ввода δ (единственный, в отличие от устройства прототипа [3]), равный углу падения на указанную оптическую грань вводимого излучения, чтобы после его ввода в ОВВИ 17 угол втекания ξ был равен углу вытекания ϕ (5). В этом случае, входное излучение из ОВВИ 17 будет полностью введено в активную область усиления предложенного ПОУ и после соответствующего усиления в ней, как указывалось ранее, заданная его доля вытечет обратно в ту же ОВВИ 17 под углом вытекания ϕ {см. (4)} к плоскости активного слоя 6.

Условия (4) и (5) определяют величины показателя преломления n_ОВВ и углов втекания ξ и вытекания ϕ, зависящие от отношений n_эфф/n_ОВВ, с нижней стороны значений. Верхняя граница рассматриваемых углов ξ_пред и ϕ_пред определяется предложенными нами соотношениями:
arccos(n_эфф/n_ОВВ)≤arccos(n_эффmin/n_ОВВ), (6)
при n_эффmin > n_min, (7)
или
ξ_пред= ϕ_пред< arccos(n_min/n_OBB), (8)
где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для множества лазерных гетероструктур 4 с ОВВИ 17, из которых могут быть изготовлены УЭ 3, представляющие практическую ценность, a n_min - наименьший из показателей преломления подслоев ограничительных слоев 7 и 8. Для реальных лазерных гетероструктур величины углов ξ_пред и ϕ_{пред =} могут быть равны, примерно, 30^o...35^o, и соответственно диапазон углов ξ и ϕ варьируется в интервале более 0^o и менее 30^o...35^o.

Заметим, что указанные соотношения (3) - (8) справедливы и для тех случаев, когда ОВВИ 17 состоит из нескольких подслоев. В этом случае в указанных формулах показатель преломления n_ОВВ для однородной ОВВИ следует заменить на n_ОВВ1 - показатель преломления для первого подслоя ОВВИ 17, который является смежным с подслоем 25 ограничительного слоя 8 лазерной гетероструктуры 4 (см. фиг. 3). Здесь и далее, если не оговорено особо, будем считать ОВВИ 17 однородной и использовать n_ОВВ без индекса 1 для первого подслоя.

Из сказанного выше следует, что условия (3) - (8) являются необходимыми для работы предложенного ПОУ. Далее нами выяснено, что значение приведенного на единицу длины активной области усиления коэффициента полезных потерь для вытекающего излучения α_ВИ см^-1 на границе, смежного с ОВВИ 17 подслоя 25 ограничительного слоя 8 с ОВВИ 17 следует выбирать из диапазона
α_ВИmin< α_ВИ< α_ВИmax, (9)
где α_ВИmin - минимальное выбираемое значение указанного коэффициента потерь вытекающего излучения определяется допустимым минимальным значением эффективности предлагаемого ПОУ, определяемым отношением мощности выходного усиленного излучения к электрической мощности, подводимой к активной области усиления, а α_ВИmax - максимальное выбираемое значение указанного коэффициента потерь вытекающего излучения определяется допустимым максимальным значением рабочей плотности тока j, А/см² в УЭ 3. Распределение интенсивности излучения, а также значения α_ВИ для конкретных лазерных гетероструктур 4 и ОВВИ 17 определялись нами численным расчетом по разработанной нами программе. Только в случае выполнения указанных признаков изобретения, а также прозрачности ОВВИ 17 для втекающего и вытекающего излучения (для полупроводников оптимально, если E_ОВВ превышает E_a не менее чем на 0,09 эВ) нами были получены неожиданно высокие значения мощности и эффективности усилителя при значительно больших эффективных длинах усиления излучения, чем обычно используемых. При этом также значительно увеличены площади входной и выходной апертур устройства, уменьшены углы расходимости и астигматизма выходного усиленного излучения.

Кроме того, для оптимизации работы УЭ 3, для увеличения коэффициента усиления входного излучения в активном слое, а следовательно, увеличения эффективности и мощности выходного излучения, возможности увеличения эффективной длины выходного излучения, нами дополнительно предложено срединную плоскость активного слоя 6, параллельную плоскостям границ слоев гетероструктуры, располагать на таком расстоянии от внутренней поверхности ОВВИ 17, при котором распределение интенсивности излучения Q, Вт/см², в плоскости, перпендикулярной слоям лазерной гетероструктуры 4 и внутренней поверхности ОВВИ 17, задаваемое составом (показателями преломления и коэффициентами поглощения слоев) и толщинами слоев лазерной гетероструктуры 4 и ОВВИ 17, в указанной срединной плоскости активного слоя 6 имеет значение интенсивности, близкое к максимальному, а именно отклонение составляет не более 20%.

Для расширения круга используемых лазерных гетероструктур 4, в том числе с углами вытекания ϕ,превышающими углы полного внутреннего отражения σ, что дает возможность создать ПОУ более эффективные и с большей входной и выходной апертурами, а также для получения различных направлений ввода и вывода усиленного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое 6 при упрощении технологии изготовления нами предложены различные конструкции ОВВИ 17 УЭ 3. В отличие от устройства прототипа [3] оптическая ось задающего источника 1 и оптической системы 2 расположена наклонно по отношению к продольной оси УЭ 3 (см. фиг. 3, 14 - 19). Заметим, что для всех конструкций на всех оптических поверхностях, через которые производится ввод либо вывод излучения, нанесены антиотражающие покрытия 16. Далее будет оговорено нанесение только отражающих покрытий 31.

Нами предложено несколько конструкций УЭ 3 с различными углами наклона ψ₃ вторых оптических граней 18:
для конструкций УЭ 3 (см. фиг. 18, 20, 21), при наклоне второй оптической грани 18 под углом наклона ψ₃, равным углу втекания ξ ввод излучения осуществляется при нормальном падении входного сколлимированного излучения на указанную грань,
для конструкций УЭ 3 (см. фиг. 14, 15, 17), в которых вторая оптическая грань параллельна перпендикулярной плоскости, угол ввода δ входного сколлимированного излучения равен
δ = arcsin(n_OBBsinϕ) (10)
для конструкции УЭ 3 (см. фиг. 16), в которой ввод излучения осуществляют через наружную поверхность 21 ОВВИ 17, а смежная с ней вторая оптическая грань 18 сформирована под углом наклона ψ₃, равном [(π/4)-(ϕ/2)], входной луч направлен по нормали к наружной поверхности 21 ОВВИ 17. При произвольном угле ввода δ на наружную поверхность ОВВИ 17 угол наклона ψ₃, соответствующей второй оптической грани 17, должен быть выбран из диапазона
[(π/4)-(ϕ/2)-(σ/2)<ψ₃<(π/4)-(ϕ/2)+(σ/2) (11)
Заметим, что входной луч для всех предложенных конструкций ПОУ в отличие от устройства прототипа [3] сколлимирован в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости используют известные углы расходимости входного излучения [3].

Эффективный вывод из ОВВИ 17 усиленного излучения, распространяющего в ОВВИ 17 под углом вытекани ϕ {см. (4)}, осуществлен в следующих конструкциях УЭ 3 предложенного ПОУ:
в конструкции УЭ 3 (см. фиг. 3, 15, 20 - 23), в которой вторая оптическая грань 19, через которую производится вывод излучения, наклонена под углом наклона ψ₄, равном углу вытекания ϕ {см. (4)}:
в конструкции УЭ 3 (см. фиг. 16, 18), в которой вывод излучения осуществляют через часть наружной поверхности 21 ОВВИ 17, определяемой проекцией второй оптической грани 19 на наружную поверхность 21 (т.е. апертурой выходного луча), граничащей со второй оптической гранью 19, последняя наклонена под углом наклона ψ₄, равном [(π/4)-(ϕ/2)].
в конструкции УЭ 3 (см. фиг. 14, 17) вывод излучения производят через вторую оптическую грань 19, которая параллельна перпендикулярной плоскости.

В конструкциях УЭ 3 (см. фиг. 3, 15, 20 - 23) выходное усиленное излучение будет нормальным по отношению к поверхностям вывода, а в конструкции УЭ 3 (см. фиг. 14, 17) выходное излучение будет выходить под углом преломления ε, равным
ε = arcsin(n_OBBsinϕ) (12)
Заметим, что первые оптические грани 14 и 15, ограничивающие с торцевых сторон начало и конец активной области усиления, для всех конструкций предложенных ПОУ (см. фиг. 3, 14-25) выполнены под углами наклона ψ₁ и ψ₂, теми же, что и соответствующие вторые оптические грани 18 и 19, т.е. равными углам наклона ψ₃ и ψ₄. Это приводит к упрощению технологии изготовления и не ухудшает параметры предложенных ПОУ.

Кроме того, нами предложены конструкции двупроходных ПОУ, в которых усиление входного сигнала происходит не только при прямом, но и при обратном проходе области усиления за счет сформированных отражающих покрытий 31 к первой 15 и второй 19 оптическим граням (см. фиг. 17). Более эффективны двупроходные ПОУ для тех предложенных конструкций ПОУ, в которых указанная вторая оптическая грань 19 выполнена параллельно перпендикулярной плоскости. В отличие от обычных двупроходных ПОУ (см. [3]), в предложенных нами вход и выход усиленного излучения пространственно разделены непосредственно на второй оптической грани 18 (см. фиг. 17).

На фиг. 18-19 представлены конструкции предложенного ПОУ с многолучевым выводом усиленного излучения.

Для ряда применений, например, в ВОЛС при создании оптического усилителя мощности для разветвленных сетей связи полезны конструкции предложенного УЭ 3, в которых ОВВИ 17 состоит из ряда подобластей 32, расположенных последовательно вдоль оси усиления на равных расстояниях друг от друга, разделенных вторыми оптическими гранями 19 и 18. В модификации УЭ 3, в соответствии с фиг. 18, вторые оптические грани 19 для каждой подобласти 33 сформированы под углами наклона ψ₄ равными [(π/4)-(ϕ/2)]. Входное излучение от задающего источника 1, вводимое в УЭ 3 аналогично конструкции ПОУ в соответствии с фиг. 3, пройдя первую подобласть 32 ОВВИ 17, будет выведено, как описано ранее, после отражения от второй оптической грани 19 указанной подобласти 32 через поверхность вывода, расположенную на проекции указанной второй оптической грани 19 на наружную поверхность 21 ОВВИ 17. Оставшаяся часть усиленного излучения, распространяемого в активной области усиления, войдет в следующую, вторую аналогичную подобласть 32 ОВВИ 17, и указанный процесс последовательно повторится во всех последующих подобластях 32 ОВВИ 17.

В другой модификации многолучевого УЭ 3 предложенного ПОУ (см. фиг. 19) вторые оптические грани 19 и 18 каждой из подобластей 32 сформированы под острыми углами к активному слою 6 и пересекаются на внутренней поверхности 20 ОВВИ 17. Ввод входного излучения в первую подобласть 32 осуществляют аналогично конструкции ПОУ в соответствии с фиг. 14. Вывод усиленного вытекающего излучения осуществляют при полном внутреннем отражении от каждой второй оптической грани 19 в сторону лазерной гетероструктуры 4. Угол наклона ψ₄ указанных граней выбирают из диапазона (π/4)+(ϕ/2)-σ/2) ... (π/4+ϕ/2)+σ/2). В месте выхода лучей удаляют контактный слой 9 и омический контакт 10 и наносят антиотражающее покрытие 16.

На фиг. 20 - 25 изображены конструкции предложенных ПОУ, в том числе интегральные. В последних вывод-ввод-вывод излучения осуществляется внутри единой ОВВИ 17.

ПОУ (см. фиг. 20, 22), в которых в качестве задающего источника 1 использованы непосредственно второй усилительный элемент (ЗИ-УЭ 1) (см. фиг. 20), аналогичный УЭ 3, либо вторая активная область усиления (см. фиг. 22), которые при отсутствии обратных связей будут являться источниками направленного суперлюминесцентного излучения в дискретном (см. фиг. 20) и интегральном (см. фиг. 22) исполнении. Для обеспечения от ЗИ-УЭ эффективного ввода входного излучения в УЭ 3 все углы втекания ξ и ϕ вытекания выбраны одинаковыми, а наружные поверхности 21 в ЗИ-УЭ 1 (см. фиг. 20) и в интегральном ПОУ (см. фиг. 22) выполнены отражающими (полное внутреннее отражение от поверхности).

Для реализации ЗИ-УЭ 1 в виде когерентного излучателя (см. фиг. 21) нами предложено, выбрав для него, например, конструкцию УЭ 3, изображенную на фиг. 15, дополнительно формировать отражающие покрытия 31 также на первых оптических гранях 14 и 15, на второй оптической грани 18 и частично на второй оптической грани 19, распространяющемся на расстояние от внутренней поверхности 20, равное апертуре вытекающего излучения в сторону грани 19. В этом случае ЗИ-УЭ 1 за счет возникновения обратной связи приобретает свойства лазерного диода, а генерируемое им вытекающее излучение после отражения от отражающего покрытия 31 на второй оптической грани 18 без какой-либо оптической системы эффективно связано с УЭ 3 путем только выполнения второй оптической грани 18 УЭ 3 параллельно второй оптической грани 19 ЗИ-УЭ 1.

Аналогично, вводя обратную связь в активную область усиления при помощи формирования необходимых отражающих покрытий 31 и других видов отражателей, нами были предложены возможные конструкции ПОУ с лазерным излучением в интегральном исполнении (см. фиг. 23 - 25), которые имеют следующие отличительные особенности.

ПОУ, изображенные на фиг. 22 - 25 (в отличие от фиг. 21), включают несколько связанных между собой УЭ 3, которые работают по схеме многокаскадного усилителя: выход усиленного излучения одного усилителя является входом последующего. Активные области усиления задающего источника 1 и всех УЭ 3 для ПОУ, в соответствии с фиг. 22 - 24, расположены вдоль оси усиления на одной внутренней поверхности ОВВИ 17. Связь между активными областями усиления при этом достигается за счет полного внутреннего отражения от наружной поверхности общей для них ОВВИ 17, при этом продольное расстояние между начальными точками активных областей усиления выбрано равным 2d_ОВВ/tg ϕ.

Для ПОУ, изображенного на фиг. 25, начиная с задающего источника 1, активные области усиления располагаются поочередно на противоположных поверхностях ОВВИ 17 при выборе кратчайшего расстояния между начальными торцами активных областей усиления на противоположных поверхностях, равным d_ОВВ/sin ϕ.

Особенностью предложенного ПОУ из дискретных элементов (см. фиг. 20) является то, что толщина ОВВИ 17 для УЭ 3 больше, чем толщина ОВВИ 17 в ЗИ-УЭ 1. Это позволяет без ухудшения других параметров уменьшить дифракционный угол расходимости для усиленного выходного излучения, а также при необходимости увеличить расстояние между активными областями усиления в случае многокаскадного усилителя.

Особенностью интегрального ПОУ (см. фиг. 25) является то, что для получения генерации на одной длине волны оптическая обратная связь в активной области усиления задающего источника 1 образована распределенными обратными микроотражателями, шаг которых известным образом связан с длиной волны генерируемого излучения [5]. Активные области усиления в УЭ 3 выполнены расширяемыми, причем таким образом, что ширина W_вх каждой последующей активной области усиления УЭ 3 превышает ширину W_вых предыдущей настолько, чтобы потери усиливаемого излучения были при этом незначительны. Выходное усиленное излучение такого ПОУ должно отличать не только одночастотность его излучения, но и возможность получения больших выходных мощностей при малых углах расходимости как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях при малом астигматизме.

Поскольку для всех рассмотренных выше модификаций предложенного ПОУ как для дискретных, так и интегральных втекающее и вытекающее излучения распространяются в ОВВИ 17, то необходимо, чтобы оптические потери (на поглощение, рассеяние) этих излучений были в ней малы, а именно коэффициент оптических потерь α_OBB был равен
α_OBBq≪ 1/L_OBB, (13)
где L_ОВВ - максимальная из длин L_ОВВВ и L_ОВВН для ОВВИ 17.

Очевидно, что, в первую очередь, для обеспечения (13) необходимо, чтобы ОВВИ 17 была оптически однородной для втекающего и вытекающего излучения, а ширина запрещенной зоны E_ОВВ материала ОВВИ 17 была больше ширины запрещенной зоны E_а активного слоя 6, которой определяется спектральная полоса усиления ПОУ. Потери на поглощение снижаются примерно по экспоненциальному закону в зависимости от различия E_ОВВ и E_а. Для снижения оптических потерь α_OBB, см^-1, а следовательно, для достижения одной из целей настоящего изобретения - увеличения эффективной длины ОВВИ 17, нами предложено выполнять ОВВИ 17 из тех материалов, для которых длина волны λ, мкм, попадает в область их прозрачности. В частности, для полупроводниковых материалов желательно обеспечить превышение E_ОВВ над E_a не менее 0,09 эВ и концентрацию свободных носителей в ОВВИ 17 не более 1•10¹⁸ см^-3. В этом случае коэффициент оптических потерь на поглощение α_OBBпогл может достигать величин порядка 0,1 см^-1 и меньше. Так, для УЭ 3 с E_a, равной 1,265 эВ (длина волны λ равна 0,98 мкм), и ОВВИ 17, выполненной из арсенида галлия (E_ОВВ равна 1,42 эВ), расчет, в соответствии с [6], показал, что коэффициент обусловленный поглощением излучения в ОВВИ 17, приблизительно равен 10^-3 см^-1. Даже при величине α_OBB в 10 раз большей, например, за счет оптической неоднородности и рассеяния, эффективная длина усиления L_ОУэфф такого УЭ 3 предложенного ПОУ будет порядка 10 см. Для сравнения, отметим, что в то же время для ПОУ, например, при различии E_ОВВ и E_a приблизительно на 0,023 эВ аналогичный коэффициент потерь α_OBBпогл, в соответствии с [6], составляет примерно 230 см^-1. В тех случаях, когда для получения очень низких значений α_OBB ОВВИ 17 становится непроводящей, нами предложено:
- во-первых, (см. фиг.9, 13) выполнять ОВВИ 17 из двух подслоев, имеющих различные проводимости: подслой 28 - легированный, с высокой проводимостью, граничащий со слоем 25 лазерной гетероструктуры 4, и подслой 29 с низкой проводимостью; в этом случае омический контакт 11 со стороны ОВВИ 17 выполнен к указанному электропроводящему подслою 28, толщину которого целесообразно выполнять не более ширины W активной области усиления,
- во-вторых (см. фиг. 12), выполнять по крайней мере один из подслоев ограничительного слоя 8 электропроводным и к нему формировать омический контакт 11, причем для снижения омических потерь указанный электропроводный слой следует выполнять имеющим наименьшее значение ширины запрещенной зоны.

Эффективность использования предложенных вариантов исполнения омического контакта 11 зависит от ширины W и от значений плотностей токов накачки j, А/см², протекающих через УЭ 3.

В случае малых оптических потерь, связанных с поглощением излучения на свободных носителях в ОВВИ 17, в качестве последней технологично использовать полупроводниковую подложку 5 с омическим контактом 11 к ней на наружной поверхности ОВВИ 17 (см. фиг. 3, 11).

В общем случае, ОВВИ 17 может быть выполнена не только из полупроводниковых материалов. Важно лишь, чтобы ее характеристики, в частности показатель преломления n_ОВВ и коэффициент оптических потерь α_OBB на поглощение и рассеяние, отвечали необходимым требованиям (3) и (13).

Естественно также, что ширина W_ОВВ ОВВИ 17 не должна быть меньше ширины активной области усиления вдоль всей длины УЭ 3. Выбор толщины d_ОВВ зависит от угла вытекания ϕ, длины L_oy, углов наклона вторых оптических граней в УЭ 3 и может варьироваться в широких пределах от 5,0 мкм до 50000 мкм и более. Так, например, для конструкции предложенного ПОУ, в соответствии с фиг. 15, целесообразно толщину d_ОВВ выбирать более чем
d_OBB= L_OBBtgϕ/(1+tg²ϕ). (14)
Для конструкции ПОУ с многокаскадным усилением (см. фиг. 22 - 25)
d_OBB= L_OBB/(2k•tgϕ), (15)
где k - число активных областей усиления в предложенном многокаскадном ПОУ, включая активную область задающего источника 1.

С целью стабилизации режима усиления предложенного ПОУ до больших значений выходной усиливаемой мощности необходимо обеспечить подавление паразитных оптических отражений в УЭ 3. Наряду с использованием для этих целей антиотражающих покрытий 16, наносимых на вторые оптические грани 18 и/или 19, нами также предложены следующие возможные конструкции средств подавления паразитных отраженных излучений (СППИ):
введение второго дополнительного слоя 30 (см. фиг. 10), выполненного из материала, поглощающего усиливаемое излучение, например, полупроводникового слоя с шириной запрещенной зоны E_доп, меньшей чем E_a, назначение которого - обеспечение максимального поглощения возможных паразитных отражений и переотражений усиленного излучения в указанном дополнительном слое 30, например, за счет сильного межзонного поглощения; дополнительный подслой может быть сильнолегированным и при этом выполнять еще одну функцию - на его свободной поверхности целесообразно нанесение омического контакта 11;
выбор угла наклона ψ₄ второй оптической грани 19 такой величины, чтобы отраженное от нее усиленное вытекающее излучение не попадало в активную область усиления; например, для конструкций УЭ 3, в соответствии с фиг. 3, 15, 20 - 23, угол наклона ψ₄ при необходимости, для решения указанных выше задач следует выполнять равным
ψ₄= 0,5arccos(n_эфф/n_OBB1) (16)
(заметим, что при этом угол преломления ε выходного усиленного излучения будет отличен от нуля).

При конструировании УЭ 3 важно контролировать угол вытекания ϕ {см. (4)} излучения и связанный с ним угол втекания ξ {см. (5)}. Например, для создания предложенных ПОУ с большой длиной усиления L_oy при ограниченной толщине d_ОВВ желательно иметь малое значение угла вытекания ϕ. Нами выяснено, что введение в ограничительные слои 7 и 8 лазерной гетероструктуры 4 подслоев соответственно 22 и 24 (см. фиг. 4) с показателями преломления n₂₂ и n₂₄, большими или равными n_ОВВ, приводит к тому, что значение n_эфф возрастает и, следовательно, угол втекания ξ (5) и угол вытекания ϕ (4) в УЭ 3 уменьшаются.

С целью снижения в работающем УЭ 3 интенсивности Q, Вт/см², усиленного излучения на плоскости первой оптической грани 15, а также уменьшения нежелательных паразитных отражений от последней, нами предложено смежный с ОВВИ 17 слой 25 формировать из двух областей 26 и 27, граничащие поверхности которых перпендикулярны плоскости активного слоя 6 (см. фиг. 8). Указанные области имеют различные показатели преломления и/или различные величины толщин, причем область с меньшей толщиной и/или большим значением показателей преломления следует располагать в непосредственной близости к первой оптической грани 15. В этом случае интенсивность вытекающего излучения в указанной области значительно возрастает, что приведет к существенному уменьшению интенсивности усиленного излучения на торце активной области усиления, а следовательно, и к соответствующему снижению величины отраженного паразитного излучения. Отметим, что указанное дополнительное уменьшение интенсивности усиленного излучения на первой оптической грани позволяет повысить ресурс и надежность работы устройства.

Обращаем внимание экспертизы на известность излучателя, а именно инжекционного лазера с вытекающим излучением [7], содержащего двойную лазерную гетероструктуру с двумя оптически однородными ограничительными слоями, помещенными с обеих сторон активного слоя, выбранного весьма толстым (0,1... 2 мкм), и слой вывода вытекающей волны, имеющий показатель преломления n_СВ больше показателя преломления n_ОС, смежного с ним ограничительного слоя, выбранного очень тонким (0,5...0,06 мкм); ширина запрещенной зоны слоя вывода очень незначительно превышает ширину запрещенной зоны активного слоя; вся гетероструктура ограничена сколотыми оптическими гранями, перпендикулярными к активному слою: на первые оптические грани - торцы ограничительных и активного слоев - нанесены отражающие покрытия; вывод вытекающего излучения осуществляют через одну из вторых оптических граней, ограничивающих слой вывода.

Нами выяснено, что ограничения, накладываемые авторами [7] на параметры структуры, как то, соотношения показателей преломления слоев, ширины запрещенных зон, выбор толщин активного слоя, ограничительного слоя, смежного со слоем вывода, а также выбор конфигурации устройства, т.е. вся совокупность признаков известного устройства не является достаточной для решения поставленной нами технической задачи.

Введенные нами соотношения значений n_ОВ, n_эфф, n_эффmin, n_min {см. (5), (6), (7)} не соответствуют диапазону значений n_СВ больше n_ОС (см. [7]). Так, например, при невыполнении предложенного авторами [7] указанного соотношения, т.е. при n_CB меньшем n_ОС, но при выполнении классического условия вытекания, т.е. n_CB больше n_эфф происходит вытекание волны в слой вывода, и такие структуры удовлетворяют введенным нами соотношениям указанных показателей преломления {см. (5), (6), (7)} и другим существенным признакам, позволяя решить поставленную нами задачу. Кроме того, наряду с другими, важнейшими признаками предложенного нами изобретения, которые необходимы для решения поставленной нами задачи и не заявлены в известном изобретении [7], являются также
- выбранный нами диапазон изменений коэффициента полезных потерь вытекающего излучения α_ВИ {см. (8)}, позволяющий установить критерий для выбора структур, пригодных для использования, поскольку классическое условие вытекания {см. (3) и (4)}, не достаточно для решения поставленной нами задачи,
- установленные соотношения между ширинами запрещенных зон области вывода и активного слоя (см. с. 25, абзац 3), позволяющие получить значительно большие значения эффективной длины усиления,
- введение отличительных конструктивных признаков устройства (например, наклонных оптических граней ОВВИ), позволяющих реализовать лазерные гетероструктуры, не только с предельно малыми, но и с предельно большими углами вытекания, обладающие рядом положительных качеств, указанных нами ранее.

В настоящем изобретении нами предложен другой прибор - усилитель, также являющийся излучателем, и предложены его новые и неочевидные признаки. Это реализация ввода коллимированного излучения через увеличенную апертуру поверхности ввода, выбор угла ввода δ в зависимости от выбора равенства углов втекания ξ и вытекания ϕ излучения, интеграция областей ввода и вывода и т. д. Поэтому только при выполнении всей совокупности введенных нами признаков предложенных ПОУ могла быть достигнута поставленная нами задача.

При сравнении с используемыми в настоящее время ПОУ, в том числе с прототипом, достоинства предложенных ПОУ состоят в следующем.

Увеличены площади входной и выходной апертур, что обусловлено увеличением размеров указанных апертур в вертикальной плоскости. В сравнении с прототипом указанное увеличение, определяемое отношением d_ОВВ/d_oy, может составлять сотни, тысячи и более раз.

Увеличение площади входной апертуры позволяет не только снизить потери входного сигнала при его вводе в активную область, а, соответственно, ввести большую входную мощность в УЭ, повысить эффективность ее ввода, что важно для создания высокоэффективных и мощных ПОУ и высокочувствительных оптических предусилителей, но также существенно упростить трудоемкий прецизионный процесс ввода входного излучения непосредственно в активную область усиления.

Увеличение площади выходной апертуры позволяет уменьшить угол расходимости θ_⊥ в вертикальной плоскости выходного усиленного дифракционно-ограниченного излучения, уменьшить его астигматизм, а также существенно (в d_ОВВ/d_oy раз) снизить интенсивность усиленного выходного на второй оптической грани при выводе из ПОУ [3]. Одновременно с этим в сравнении с устройством прототипа [3] снижена интенсивность излучения на первой оптической грани со стороны вывода излучения.

Предложенные нами конструкции ПОУ позволяют не только реализовать различные направления ввода и вывода излучения в ОВВИ, но и расширить круг ПОУ с большими значениями углов вытекания ϕ, отличающихся большей эффективностью и большей величиной входной и выходной апертур.

Уменьшение интенсивностей выходного излучения на первой и второй оптических гранях со стороны вывода излучения позволяют получить большие уровни выходной мощности излучения, не приближаясь, как это имеет место в прототипе, к предельным интенсивностям разрушения, что дает возможность обеспечить повышенный ресурс и надежность предложенных ПОУ даже при больших уровнях мощности.

Соответствующий выбор значений α_ВИ,α_ОУ и α_ОВВ позволяет существенно увеличить эффективную длину усиления устройства и тем самым увеличить объем активной области усиления, а следовательно, увеличить эффективность и выходную мощность высококачественного лазерного излучения с дифракционно-ограниченной расходимостью в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Увеличение эффективной длины дает возможность реализовать предложенные нами перспективные конструкции многолучевых ПОУ, ПОУ с задающим источником входного излучения в виде усилительного элемента, с многокаскадным усилителем, в том числе в интегральном исполнении.

Обращаем внимание на то, что техническая реализация предложенного ПОУ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении типовых ПОУ. Поэтому считаем, что предлагаемое изобретение обладает промышленной применимостью. Считаем, что признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем, новизной. Изложенное позволило заключить, что нами решена поставленная техническая задача: увеличение площади входной и выходной апертур устройства, уменьшение угла расходимости и астигматизма выходного усиленного излучения, достижение возможности получения различных направлений ввода и вывода усиленного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое, а также увеличения эффективной длины области усиления, что в совокупности приводит к повышению выходной мощности, эффективности, долговечности и надежности ПОУ при упрощении технологии изготовления и возможности реализации усилителя многолучевого, многокаскадного, в том числе в интегральном исполнении.

Примеры конкретного применения.

Пример 1. Предлагаемый ПОУ (см. фиг. 3, 4) состоит из задающего источника 1 входного излучения, выполненного в виде известного лазерного диода с известной коллимирующей оптикой [3], и УЭ 3 с вводом входного излучения при его нормальном падении на вторую оптическую грань 18 и выводом усиленного излучения без преломления на второй оптической грани 19 ОВВИ 17. УЭ 3 выполнен в виде полупроводниковой гетероструктуры 4, состоящей из ряда полупроводниковых слоев (см. таблицу), выращенных известным методом MOCVD на подложке 5 из электропроводящего арсенида галлия, выполняющей роль ОВВИ 17. Состав, толщины, показатели преломления, тип и концентрации легирования и соответствующие им коэффициенты поглощения слоев гетероструктуры ОВВИ 17 приведены в таблице. Длина волны λ, мкм, усиливаемого излучения выбрана в пределах полосы усиления, определяемой составом активного слоя 6, равной 0,980 мкм. Точности определения параметров: ±0,5 соответствующих единиц после последнего указанного знака.

Длина L_ОВВВ предложенного ПОУ равна длине L_oy, которая равна 1500 мкм. Конфигурация активной области усиления выбрана расширяемой, т.е. соответствовала схематично изображенному на фиг.2 устройству прототипа [3]. Ширина W_вх на входе выбрана равной 10 мкм, а на выходе - W_вых равна 160 мкм. Толщина d_ОВВ ОВВИ 17 выбрана равной 260 мкм.

Обе первые 14, 15 и вторые 18, 19 оптические грани выполнены под острыми углами к активному слою 6 с углами наклона ψ₁ и ψ₃, равными ξ, и ψ₂ и ψ₄, равными ϕ,, при этом угол ξ равен углу ϕ и равен 9^o 30'. На указанные оптические грани 14, 15 и 18, 19 наносили антиотражающие покрытия 16 с коэффициентом отражения для входного и выходного излучения равными 0,001.

Известные омические контакты 10 и 11 были сформированы к контактному слою 9 p-типа проводимости и к наружной поверхности 21 ОВВИ 17 (подложке 5) n-типа проводимости [8]. УЭ 3 устанавливали на теплоотводящую металлическую пластину со стороны слоев p-типа. К омическим контактам 10 и 11 подавали требуемое питание.

Входное излучение, сколлимированное в вертикальной плоскости, мощностью 25 мВт падало по нормали на вторую оптическую грань 18 площадью ввода S_вх, равной 2475 мкм² (247,5 мкм - вертикальный размер ввода, умножен на 10 мкм - горизонтальный размер ввода).

Основные параметры как для гетероструктуры, так и для ПОУ рассматриваемого примера были получены численным моделированием, выполненным по разработанной нами специальной программе, в основу которой положен матричный метод [9] решения уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями в многослойных лазерных гетероструктурах.

При данных расчетах были приняты следующие исходные данные:
-g₀ = 200 см^-1 - коэффициент материального усиления в активном слое 4, необходимый для достижения инверсии,
- μ = 5 • 10^-16 см² - коэффициент пропорциональности между (g + g₀), см^-1 и концентрацией инжектированных электронов N_e, см^-3, где g, см^-1, - коэффициент материального усиления в активном слое,
- τ = 1 нс - время жизни неравновесных электронов в активном слое,
- α_ОУ = 5 см^-1 - коэффициент оптических потерь на поглощение и рассеяние усиливаемого излучения в активной области усиления,
- α_OBB = 0,001 см^-1 - коэффициент оптических потерь в ОВВИ 17; данное значение принято для ОВВИ 17 из арсенида галлия в соответствии с [6] для длины волны λ = 0,98 мкм при концентрации носителей (электронов) 1•10¹⁸ см^-3,
- α₁₅ = 15 см^-1 - коэффициент потерь излучения, выходящего в конце активной области усиления через первую оптическую грань 15.

Возможные потери и искажения фронтов излучения в ОВВИ 17, связанные с рассеянием излучения в расчетах не учитывались, ОВВИ 17 принимались оптически однородной.

Принятые значения параметров являются типичными для рассматриваемой лазерной гетероструктуры 4 на основе InGaAs/GaAs/AIGaAs. При переходе к лазерной гетероструктуре 4 на других соединениях эти параметры могут измениться.

Численным расчетом были получены следующие результаты для рассматриваемого ПОУ:
коэффициент полезных потерь α_ВИ см^-1, для полезного вытекающего излучения из активной области усиления в ОВВИ 17 α_ВИ = 177,2 см^-1,
- коэффициент потерь вытекающего излучения из активной области усиления в контактный слой 9 = 1•10^-5 см^-1,
эффективный показатель преломления совокупности лазерной гетероструктуры 4 с ОВВИ 17 n_эфф = 3,4775,
распределение усиленного излучения в ближнем поле в плоскости, перпендикулярной слоям лазерной гетероструктуры 4 и слою ОВВИ 17 (см. фиг.5),
соответствующее распределение интенсивности усиленного излучения в дальнем поле (см. фиг. 6).

На основе принятых параметров и размеров ПОУ по примеру 1 и приведенных выше численных расчетных данных нами также определены:
угол вытекания ϕ излучения из активной области усиления в ОВВИ 17- ϕ = 9^o 30',
эффективность вывода вытекающего излучения из активной области усиления в ОВВИ 17 η_1/ = 0,8986,
эффективность ввода η_2вх входного излучения и эффективность вывода η₂ выходного излучения, связанные с оптическими потерями (поглощением) соответствующих излучений при прохождении ОВВИ 17 и потерями на отражение от соответствующих вторых оптических граней 18 и 19, равны η₂= η_2вх≈ 0,99,
дифференциальная эффективность η_g= η₁•η₂= 0,9,
выходная мощность усиленного излучения P_вых при рабочем токе 3,825 А равна 4,32 Вт,
выходное излучение направлено под углом к плоскости активного слоя, равным углу вытекания ϕ = 9^o 30', а его угол расходимости θ_⊥ в вертикальной плоскости равен 3,96 мрад,
эффективный угол расходимости выходного излучения в горизонтальной плоскости равен 6,12 мрад,
площади входной и выходной апертур соответственно S_вх равна 2475 мкм² и S_вых равна 39600 мкм²,
плотность p₁₉ выходного усиленного излучения на выводящей оптической поверхности второй оптической грани равна p₁₉ = 1,09•10⁴ Вт/см²,
Пример 2.

Рассмотрен ПОУ в интегральном исполнении. Задающим источником 1 является инжекционный лазер, выполненный в виде активной области усиления, на начальном и конечном торцах которой нанесены отражающие покрытия 31 с коэффициентом отражения равным 0,99. Активная область усиления помещена на ОВВИ 17 УЭ 3, выполненного двухкаскадным (см. фиг. 23, 24), т.е. с двумя последовательно расположенными активными областями усиления на той же внутренней поверхности 20 ОВВИ 17, что и область усиления задающего источника 1. Лазерная гетероструктура 4 и состав ОВВИ 17 выбраны теми же, что и для ПОУ по примеру 1 (см. Таблицу). Оптическая грань 15 задающего источника 1 при этом выполнена ионным травлением, перпендикулярной к плоскости активного слоя 6. Оптические грани 14, 18 с отражающими покрытиями 31 и оптические грани 15, 19 на выходе двухкаскадного усилителя выполнены с теми же углами наклона, а грани 15, 19 с теми же антиотражающими покрытиями, что и соответствующие грани УЭ 3 в предыдущем примере 1.

Толщина боев равна 150 мкм, а общая длина ПОУ, равная длине интегрированной ОВВИ 17, равна 5000 мкм. Ширина W полосковой активной области усиления задающего источника 1 равна 10 мкм, а ее длина равна 500 мкм. Длины первой и второй активных областей усиления для УЭ 3 одинаковы и равны 1000 мкм. Период расположения активных областей усиления на ОВВИ 17 равен 2000 мкм. Первая и вторая активные области усиления УЭ 3 выполнены расширяемыми, при этом для первой области усиления ширина ввода W_вх равна 60 мкм, ширина вывода W_вых равна 160 мкм, для второй - W_вх равна 180 мкм, а W_вых равна 280 мкм.

Часть наружной поверхности 21 ОВВИ 17, противолежащая указанным активным областям, выполнена свободной от омического контакта 11 и отражающей. На остальной части указанной поверхности выполнен омический контакт 11. Омические контакты 10 на контактный слой 9 к соответствующим активным областям усиления известным способом выполнены раздельными.

Исходные данные для расчета были приняты такими же, что и для ПОУ по примеру 1. Поскольку в рассматриваемом ПОУ была использована лазерная гетероструктура та же, что и для предыдущего примера 1, то коэффициенты эффективности η₁,η₂,η_g, величины n_эфф, ближнее и дальнее поле, угол вытекания ϕ, как для задающего источника 1, так и для двух каскадов УЭ 3 были близки к аналогичным характеристикам ПОУ по примеру 1. Дополнительно для задающего источника 1 были получены следующие расчетные параметры:
- пороговая плотность тока j_пор = 1340 А/см²,
- мощность излучения 120 мВт при токе накачки 150 мА.

На выходе из второго каскада УЭ 3 при рабочем токе на двух каскадах I_нак = 10,2 А мощность излучения составила P_вых2 = 11,16 Вт, при этом θ_⊥ = 6,7 мрад, а эффективный угол = 3,5 мрад.

Площадь выходной апертуры S_вых ПОУ по данному примеру была равна 46844 мкм².

Таким образом, в сравнении с устройством прототипа [3] входная и выходная апертуры увеличены в 200-300 раз, соответственно снижен астигматизм излучения, расходимость выходного усиленного излучения является дифракционно-расходящейся в двух взаимно перпендикулярных направлениях, при этом угол расходимости излучения в вертикальной плоскости уменьшен в 90...135 раз. Получено возрастание дифракционной эффективности в 1,23 раза, а выходной мощности усиленного излучения при одинаковых размерах и токах накачки в 1,76 раз для ПОУ с единичным усилительным элементом и в 4,4 раз для двухкаскадного интегрального ПОУ. Эффективная длина областей усиления в двухкаскадном усилителе увеличена в 3,3 раза, а плотность излучения на выходной апертуре, в значительной степени определяющая ресурс работы, уменьшена в сравнении с прототипом примерно в 60... 140 раз.

Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. S.O'Brien et al., IEEE J. of Quantum Electronics (1993), vol.29, No. 6, PP.2052-2057.

2. J.P.Donnelly et al., IEEE Phot. and Technology Letters (1996), vol.8, PP.1450-1452,
3. L.Goldberg et al., IEEE J. of Quantum Electronics (1993), vol.29, No. 6, PP.2028-2042,
4. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Sucmatsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp. 58- 65,
5. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y. Sucrnatsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp. 402-407.

6. H. C. Huang et al., Journ.Appl.Phys. (1990), vol.67, N 3, pp.1497- 1503.

7. Patent US 4063189, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 H.

8. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Sucmatsu and A.R. Adams, "Chapman- Hill", London, 1994, pp. 344, 518-519.

9. J.Chilwall, I.Hodkinson, Journ. Opt. Soc. Amer., A (1984), vol. 1, N 7, pp.742-753.

Изобретение относится к квантовой электронике. Усилитель состоит из задающего источника входного коллимированного излучения, вводимого при работе усилителя под углом ввода δ, равном углу падения излучения на поверхность ввода, в усилительный элемент, последний выполнен на основе полупроводниковой лазерной гетероструктуры, расположенной на области ввода-вывода излучения, через которую при работе усилителя предусмотрен ввод и вывод излучения, распространяемого в ней, область для него прозрачна, с торцевых сторон первые оптические грани ограничивают активную область усиления, вторые оптические грани - область ввода-вывода излучения и образуют соответствующие углы наклона ψ₁, ψ₂ и ψ₃, φ₄ с плоскостью, перпендикулярной оси усиления. Определено, что в работающем устройстве коэффициент полезных потерь α_ВИ, см^-1, для вытекающего из активного слоя усиленного излучения на границе подслоя ограничительного слоя с областью ввода-вывода излучения выбирается из диапазона значений, ограниченных допустимым минимальным и максимальным значениями этого коэффициента, усиленного излучения и с верхней стороны диапазона α_ВИmax, см^-1, допустимым максимальным значением плотности рабочего тока. Далее предложено, что угол ввода δ, зависимый от угла наклона ψ₃, а эффективный показатель преломления лазерной гетероструктуры в совокупности с областью ввода-вывода излучения, имеющие общий n_эфф показатель преломления области ввода-вывода излучения, связан определенным соотношением. Технический результат изобретения - увеличение площади входной и выходной апертур устройства, уменьшение угла расходимости астигматизма выходного усиленного излучения, достижение возможности получения различных направлений ввода и вывода усиленного излучения по отношению к оптической оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины области усиления. 50 з.п.ф-лы, 25 ил., 1 табл.

1. Полупроводниковый оптический усилитель, включающий задающий источник входного излучения, вводимого при работе усилителя под углом ввода δ в оптически связанный с источником усилительный элемент, последний выполнен на основе полупроводниковой лазерной гетероструктуры, содержащей активный слой с показателем преломления равным n_а и шириной запрещенной зоны равной E_а, эВ, помещенный между двух ограничительных слоев, в каждом из которых по крайней мере по одному подслою, а также активную область усиления шириной W_вх, мкм, в ее начале, шириной W_вых, мкм, в ее конце и длиной L_ОУ, мкм, с первыми оптическими гранями, ограничивающими с торцевых сторон начало и конец активной области усиления и образующими углы наклона ψ₁ и ψ₂ с плоскостью, перпендикулярной продольной оси активного слоя, названной перпендикулярной, покрытия, омические контакты, барьерные области, средство подавления паразитных излучений, отличающийся тем, что входное излучение сформировано коллимированным, угол ввода δ равен углу падения излучения на поверхность ввода, усилительный элемент выполнен по крайней мере с одной активной областью усиления, в нем по крайней мере с одной стороны лазерной гетероструктуры введен по крайней мере один дополнительный слой, причем смежный с лазерной гетероструктурой дополнительный слой обозначен областью ввода-вывода излучения, для которого она прозрачна и выполнена по крайней мере из одного подслоя, причем смежные подслой ограничительного слоя и подслой области ввода-вывода излучения сформированы по крайней мере из одной области и по крайней мере из одной подобласти соответственно, поверхность области ввода-вывода излучения, со стороны границы с лазерной гетероструктуры, названная внутренней, выполнена длиной L_ОВВВ, мкм, не менее длины L_ОУ, введены по крайней мере две дополнительные вторые оптические грани, образующие углы наклона ψ₃ и ψ₄ с перпендикулярной плоскостью, причем область ввода-вывода выполнена шириной не менее ширины активной области усиления, толщиной d_ОВВ, мкм, имеющей показатели преломления n_ОВВq подслоев и коэффициенты их оптических потерь α_OBBq, см^-1, где q = 1, 2, ..., p определены как целые числа, означающие порядковый номер подслоев области ввода-вывода излучения, исчисляемый от ее границы с лазерной гетероструктурой, при этом в работающем устройстве коэффициент полезных потерь α_ВИ, см^-1, для вытекающего из активного слоя усиленного излучения на границе подслоя ограничительного слоя с областью ввода-вывода излучения выбран из диапазона значений, ограниченных с нижней стороны диапазона, α_ВИmin, см^-1, допустимым минимальным значением эффективности преобразования электрической мощности, подводимой к активной области усиления во время работы усилителя, в мощность усиленного излучения и с верхней стороны диапазона α_ВИmax, см^-1, допустимым максимальным значением плотности рабочего тока, причем углы, образованные в области ввода-вывода излучения нормалью фронта втекающего излучения и нормалью фронта вытекающего усиленного излучения с плоскостью активного слоя лазерной гетероструктуры, обозначены соответственно углом втекания ξ и углом вытекания ϕ, угол полного внутреннего отражения для вытекающего излучения в области ввода-вывода излучения обозначен углом отражения σ, при этом угол ввода δ, зависимый от угла наклона ψ₃, определен выбором равенства угла втекания ξ углу вытекания ϕ, углы ξ и σ удовлетворяют соотношениям ξ = arccos(n_эфф/n_ОВВ1) и σ = arcsin/(1/n_ОВВq), а эффективный показатель преломления n_эфф лазерной гетероструктуры в совокупности с областью ввода-вывода излучения и показатель преломления n_ОВВ1 области ввода-вывода излучения с учетом выполнения условия вытекания излучения из лазерной гетероструктуры удовлетворяют соотношениям при n_эффmin больше n_min, где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур в совокупности с областями ввода-вывода излучения, а n_min - наименьший из показателей преломления слоев лазерной гетероструктуры. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что W_вх, мкм, выбрано равным W_вых, мкм. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что W_вых выбрано большим W_вх. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения выполнена из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности для длины волны λ, мкм, излучения, усиливаемого при работе устройства. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения выполнена из полупроводника, имеющего ширину запрещенной зоны E_ОВВ, эВ, превышающую E_а, эВ, более чем на 0,09 эВ. 6. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что толщина d_ОВВ выбрана из диапазона 5...50000 мкм. 7. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что срединная плоскость активного слоя расположена на таком расстоянии от внутренней поверхности дополнительного слоя, при котором интенсивность усиленного излучения в указанной срединной плоскости активного слоя, возникающая при работе усилителя, отлична от максимальной не более чем на 20%. 8. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что по крайней мере один из подслоев ограничительных слоев лазерной гетероструктуры выполнен с показателем преломления не менее n_ОВВ1. 9. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающееся тем, что смежный с областью ввода-вывода излучения слой лазерной гетероструктуры выполнен по крайней мере из двух областей, граничащие поверхности которых перпендикулярны плоскости активного слоя. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что показатели преломления соседних областей различны. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что толщины соседних областей различны. 12. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающееся тем, что наружный дополнительный слой выполнен из материала, поглощающего усиливаемое излучение. 13. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающееся тем, что дополнительные слои выполнены электропроводными. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что омический контакт сформирован к свободной поверхности дополнительных слоев. 15. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения выполнена электропроводной. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что омический контакт сформирован к поверхности области ввода-вывода излучения. 17. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 15, или 16, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения выполнена имеющей коэффициент оптических потерь α_OBBq не более 0,1 см^-1. 18. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 15, или 16, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения сформирована из двух подслоев, при этом первый подслой, граничащий с лазерной гетероструктурой, электропроводен, а второй подслой выполнен из материала, имеющего коэффициент оптических потерь α_OBB2 не более 0,1 см^-1. 19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что омический контакт выполнен к первому подслою области ввода-вывода излучения. 20. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 17, отличающееся тем, что омический контакт со стороны области ввода-вывода излучения выполнен к одному из электропроводных подслоев ограничительного слоя, расположенного между активным слоем и областью ввода-вывода излучения. 21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что омический контакт выполнен к электропроводному слою, имеющему наименьшее значение ширины запрещенной зоны. 22. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что вторая оптическая грань с антиотражающим покрытием со стороны ввода излучения выполнена параллельно перпендикулярной плоскости, при этом угол ввода δ выбран удовлетворяющим условию arcsin(n_OBBqsinξ).
23. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что антиотражающее покрытие сформировано на определяемой размером входной апертуры части поверхности области ввода-вывода излучения, противолежащей ее внутренней поверхности и прилегающей ко второй оптической грани со стороны ввода излучения, образующей тупой угол с плоскостью активного слоя и сформированной под углом наклона ψ₃, выбираемого из диапазона [(π/4)-(ξ/2)-(σ/2)]...[(π/4)-(ξ/2)+(σ/2)].
24. Устройство по п. 23, отличающееся тем, что угол наклона ψ₃ выбран равным [(π/4)-(ξ/2)], причем входное излучение направлено по нормали к поверхности ввода. 25. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что вторая оптическая грань с антиотражающим покрытием со стороны ввода излучения, образующая острый угол с плоскостью активного слоя, выполнена с углом наклона ψ₃, выбираемым из диапазона (ξ-σ)...(ξ+σ).
26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что угол наклона ψ₃ выбран равным углу втекания ξ, причем входное излучение направлено по нормали к поверхности ввода. 27. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что вторая оптическая грань с антиотражающим покрытием со стороны вывода излучения, образующая острый угол с плоскостью активного слоя, выполнена с углом наклона ψ₄, выбираемым из диапазона (ϕ-σ)...(ϕ+σ).
28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что угол наклона ψ₄ выбран равным углу вытекания ϕ. 29. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что вторая оптическая грань с антиотражающим покрытием со стороны вывода излучения выполнена параллельно перпендикулярной плоскости, при этом угол вытекания ϕ выбран меньше угла полного внутреннего отражения от указанной грани. 30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что на одной из вторых оптических граней выполнено отражающее покрытие и она сформирована параллельно перпендикулярной плоскости, на другой противоположной второй оптической грани выполнено антиотражающее покрытие, причем ввод излучения предусмотрен через одну, определяемую размером входной апертуры, ее часть, размещенную, начиная от границы второй оптической грани, с внутренней поверхностью области ввода-вывода излучения на расстоянии не более L_оуtgϕ, а вывод излучения предусмотрен через ту же грань в другой ее части. 31. Устройство по п. 30, отличающееся тем, что на первой оптической грани, смежной со второй оптической гранью с отражающим покрытием, выполнено отражающее покрытие. 32. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающееся тем, что антиотражающее покрытие выполнено на определяемой размером выходной апертуры части поверхности области ввода-вывода излучения, противолежащей внутренней поверхности последней и прилегающей ко второй оптической грани со стороны вывода излучения, образующей тупой угол с плоскостью активного слоя и сформированной под углом наклона ψ₄, выбираемом в диапазоне [(π/4)-(ϕ/2)-(σ/2)]...[(π/4)-(ϕ/2)+(σ/2)].
33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что угол наклона ψ_4/ выбран равным [(π/4)-(ϕ/2)], причем выходное излучение направлено по нормали к поверхности вывода. 34. Устройство по п.27, или 28, или 32, или 33, отличающееся тем, что область ввода-вывода излучения выполнена из по крайней мере двух подобластей, первая из которых оптически взаимосвязана с задающим источником, подобласти разделены вторыми оптическими гранями для вывода излучения из каждой подобласти. 35. Устройство по п.34, отличающееся тем, что вторые оптические грани со стороны вывода излучения, образующие острый угол с плоскостью активного слоя, сформированы под углом наклона ψ₄, выбираемым в диапазоне [(π/4)+(ϕ/2)-(σ/2)]...[(π/4)+(ϕ/2)+(σ/2)], а в областях их проекций на поверхности лазерной гетероструктуры, противоположной расположению области ввода-вывода излучения, выполнены антиотражающие покрытия. 36. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 27, или 28, или 29, или 32, или 33, отличающееся тем, что по крайней мере две активные области усиления, имеющие одинаковые углы втекания ξ и вытекания ϕ для каждой области усиления, сформированы на одной поверхности области ввода-вывода излучения. 37. Устройство по п.36, отличающееся тем, что по крайней мере две активные области усиления сформированы вдоль одной линии, параллельной поверхности области ввода-вывода излучения и плоскости активного слоя, с шагом между началами активных областей равным 2d_ОВВ/tgϕ. 38. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 27, или 28, или 29, или 32, или 33, отличающееся тем, что по крайней мере по одной активной области усиления, имеющие одинаковые углы втекания ξ и вытекания ϕ для каждой области усиления, сформировано на противоположных поверхностях области ввода-вывода излучения. 39. Устройство по п.38, отличающееся тем, что по крайней мере по одной активной области усиления сформировано вдоль каждой из двух линий, параллельных между собой, расположенных на противоположных поверхностях, при кратчайшем расстоянии между началами активных областей усиления на противоположных сторонах равном d_ОВВ/sinϕ. 40. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 27, или 28, или 29, или 30, или 31, или 32, или 33, отличающееся тем, что задающий источник входного излучения сформирован в виде второго усилительного элемента. 41. Устройство по п.40, отличающееся тем, что в активную область усиления второго усилительного элемента введены отражатели. 42. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 27, или 28, или 29, или 32, или 33, отличающееся тем, что активная область усиления задающего источника размещена на области ввода-вывода излучения усилительного элемента, причем угол вытекания ϕ активной области усиления задающего источника одинаков с углом втекания ξ активной области усиления усилительного элемента. 43. Устройство по п.42, отличающееся тем, что в активную область усиления задающего источника введены отражатели. 44. Устройство по пп. 42 и 43, отличающееся тем, что активные области усиления задающего источника и усилительного элемента размещены на одной внутренней поверхности области ввода-вывода излучения. 45. Устройство по п.44, отличающееся тем, что активные области усиления задающего источника и усилительного элемента размещены на одной линии, параллельной поверхности области ввода-вывода излучения и плоскости активного слоя, с шагом между началами активных областей, равным 2d_ОВВ/tgϕ. 46. Устройство по пп.42 и 43, отличающееся тем, что активные области усиления задающего источника и усилительного элемента размещены на противоположных поверхностях области ввода-вывода излучения. 47. Устройство по п.46, отличающееся тем, что активные области усиления задающего источника и усилительного элемента сформированы вдоль каждой из двух линий, параллельных между собой, расположенных на противоположных поверхностях, при кратчайшем расстоянии между началами активных областей усиления на противоположных поверхностях, равном d_ОВВ/sinϕ. 48. Устройство по п.36, или 37, или 38, или 39, или 40, или 41, или 42, или 43, или 44, или 45, или 46, или 47, отличающееся тем, что часть по крайней мере одной поверхности области ввода-вывода излучения выполнена отражающей. 49. Устройство по п.41, или 42, или 43, или 44, или 45, или 46, или 47, или 48, отличающееся тем, что отражатели выполнены в виде отражающих покрытий. 50. Устройство по п.41, или 42, или 43, или 44, или 45, или 46, или 47, или 48, отличающееся тем, что отражатели выполнены в виде брегговских распределенных отражателей. 51. Устройство по п.41, или 42, или 43, или 44, или 45, или 46, или 47, или 48, отличающееся тем, что отражатели выполнены в виде распределенных отражателей обратной связи вдоль всей длины активной области усиления задающего источника.