ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/19 

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к эффективным, высокомощным и компактным полупроводниковым инжекционным источникам излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров.

Известны различные типы инжекционных лазеров: инжекционные лазеры с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1], инжекционные лазеры с распределенной обратной связью [2] , инжекционные лазеры - усилители, в том числе типа мастер-лазер-усилитель мощности [3], полупроводниковые лазерные диоды с изогнутыми резонаторами и выводом излучения через поверхность [4]. Всем этим лазерным источникам излучения присущ один очень значительный недостаток: при увеличении размеров тела свечения дифракционная расходимость нарушается и яркость указанных источников резко уменьшается.

В инжекционном лазере с полосковой активной областью генерации и выводом излучения через зеркало оптического резонатора [1] активная область расположена между вертикальными отражателями оптического резонатора. При протекании тока через активную область в ней возникает усиление излучения, а при известных соответствующих условиях и генерация. Одно из зеркал оптического резонатора делают частично прозрачным и через него выходит используемое излучение. В таком лазере в активной области существуют только "направляемые моды", т.е. волноводные моды распространяемые вдоль оси оптического резонатора между его зеркалами. При этом принимаются меры, необходимые для того, чтобы исключить возникновение вытекающего излучения через слои гетероструктуры в подложку и верхний контактный слой, так как это снижает эффективность работы лазерных устройств. Размер тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры обычно не превышает 1 мкм, а в направлении параллельном слоям гетероструктуры - определяется шириной полосковой активной области. Этим лазерам свойственны:
- высокая астигматичность излучения, обусловленная ограниченным размером тела свечения в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры;
- нарушение одномодового режима генерации с резким увеличением расходимости лазерного излучения при увеличении ширины полосковой активной области (в типичном случае полоскового лазера это происходит, если ширина полоска превышает 3 - 6 мкм);
- длина волны лазерного излучения чувствительна к амплитуде тока накачки;
малые площади тела свечения, для которых обеспечивается дифракционная расходимость излучения, ограничивают создание полупроводникового лазера, обладающего высокой мощностью выходного излучения и одновременно высокой надежностью.

Создание полупроводниковых источников излучения, сохраняющих дифракционную расходимость при увеличении размеров его излучающей поверхности, а следовательно, и выходной мощности излучения является одной из важнейших задач лазерной техники.

В патенте [5] и статье [6] одних и тех же авторов сделана попытка увеличить выходную апертуру и, соответственно, уменьшить угол расходимости и астигматизм в направлении, перпендикулярном к p-n-переходу, для чего был предложен инжекционный лазер с вытекающим излучением. Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является инжекционный лазер, включающий подложку и лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой с показателем преломления, равным n_a, шириной запрещенной зоны равной E_a, эB, и два ограничительных слоя, помещенные, соответственно, на первой и противоположной второй поверхностях активного слоя, область усиления шириной W_oy мкм, и длиной L_oy вдоль продольной оси усиления, ограниченная торцевыми поверхностями, отражатели, оптический резонатор, омические контакты, слои металлизации, покрытия, и, по крайней мере, с одной стороны активного слоя дополнительный слой, названный областью втекания излучения, имеющей показатель преломления n_ов коэффициент оптических потерь лазерного излучения α_ов, см^-1, толщину d_ов, мкм, ширину W_ов, мкм, длину вдоль продольной оси усиления области усиления, определяемую через длину L_овв, мкм, ее внутренней поверхности на границе с ограничительным слоем и через длину L_овн, мкм, ее наружной поверхности с противоположной стороны, и ограниченной оптическими гранями, направленными под углами наклона ψ относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси усиления области усиления, названной перпендикулярной плоскостью, с вершиной угла наклона ψ, расположенной на внутренней поверхности, причем в работающем устройстве угол, образованный в области втекания излучения нормалью фронта лазерного вытекающего излучения с плоскостью активного слоя, обозначен углом вытекания ϕ и равен arccos (n_эфф/n_ов), а условие вытекания излучения из активного слоя в область втекания излучения выполнено при превышении показателя преломления n_ов над эффективным показателем преломления n_эфф для совокупности, состоящей из лазерной гетероструктуры и присоединенной к ней области втекания излучения.

Схематичное изображение конструкции известного инжекционного лазера (далее лазера) 1 с вытекающей волной изображено на фиг.1 в виде продольного (вдоль оси оптического резонатора) сечения с плоскостями отражателей оптического резонатора и оптическими гранями области вывода излучения, параллельными перпендикулярной плоскости (т.е. с углами наклона ψ, равными нулю), и с односторонним выводом излучения.

Известный лазер 1 (см. фиг. 1) состоит из подложки 2, лазерной гетероструктуры (далее гетероструктура) 3, содержащей активный слой 4, помещенный между двух оптически однородных ограничительных слоев 5 и 6. С торцевых сторон лазерная гетероструктура 3 ограничена торцевыми плоскими поверхностями 7, выполняющими роль отражателей оптического резонатора, определяющими длину L_ор оптического резонатора (Фабри-Перо). На них нанесены отражающие покрытия 8 с коэффициентом отражения, близким к единице. На удаленной от активного слоя 4 поверхности ограничительного слоя 6 помещена область втекания излучения (далее область втекания) 9. Область втекания 9, которой является подложка 2, имеет продольное сечение в виде прямоугольника (см. фиг.1) с продольной длиной L_овв внутренней поверхности 10, граничащей с гетероструктурой 3, равной длине L_oy и длиной L_овн, противолежащей наружной поверхности 11, также равной длине L_oy. Условными линиями со стрелочками изображены направления вытекающего излучения под углом вытекания ϕ внутри области втекания 9 и выходного излучения под углом преломления δ вне области втекания 9. Плоскости оптических граней 12 (далее "грань", одна из них 12-1, другая 12-2), помещенные под углами наклона ψ,, равными нулю, являются продолжением плоскостей отражателей оптического резонатора. На одну оптическую грань 12-1 нанесено антиотражающее покрытие 13, на другую грань 12-2 - отражающее покрытие 8. На удаленной от активного слоя 4 поверхности ограничительного слоя 5 гетероструктуры 3 помещен контактный слой 14 и на нем сформирован омический контакт 15. С противоположной стороны на наружной поверхности 11 области втекания 9 (в данном случае на поверхности подложки 2) выполнен омический контакт 16.

Активный слой 4 выбран весьма толстым, толщиной d_а в пределах 0,1...2 мкм. Ограничительные слои 5 и 6 оптически однородны, их показатели преломления n_огс меньше n_а. Ограничительный слой 6, смежный с областью втекания 9 (подложкой 2) выбран тонким, а именно 0,5...0,06 мкм. Область втекания 9 имеет показатель преломления n_ов больше показателя преломления n_огс ограничительного слоя, смежного с ним. Активный слой 4 и область втекания 9 имеют один и тот же состав - полупроводник арсенид галлия, что определяет большое значение коэффициента поглощения α_ов, порядка 30 см^-1 (см. [6]). Толщина d_ов области втекания 9 выбрана много больше суммы толщин активного слоя 4 d_а и оптически однородного однослойного ограничительного слоя 6 d_огс, смежного с областью втекания 9. Область втекания 9 ограничена сколотыми гранями 12, перпендикулярными к активному слою 4.

После приложения смещения к p-n переходу, который образован между, например, активным слоем 4 и ограничительным слоем 6, смежным с областью втекания 9, осуществляется инжекция неравновесных носителей в активный слой 4 и в нем возникает генерация излучения заданной длины волны λ и модового состава. Функционирование лазера 1 в режиме вытекающей моды происходит при условии, что ограничительный слой 6, примыкающий к области вывода 9, выбран весьма тонким для того, чтобы часть излучения распространялась в дополнительный слой и образовывало в нем вытекающую волну под некоторым углом вытекания ϕ к p-n переходу, т. е., чтобы было реализовано условие вывода излучения в дополнительный слой 9.

Известно из [7], что необходимым условием вытекания является выполнение соотношения
n_эфф < n_ов, (1)
где величина эффективного показателя преломления n_эфф может быть получена расчетным путем из соотношения β = (2π/λ)n_эфф [7], где β - модуль комплексной величины постоянной распространения усиливаемой волны излучения в направлении, вдоль продольной оси, расположенной в активном слое 4, а λ - длина волны излучения. При выполнении условия (1) усиление направляемых мод в активном слое 4 лазера 1 уменьшается и нарастает интенсивность излучения в виде волн, вытекающих под углом вытекания ϕ к плоскости активного слоя 4, равном [7]
ϕ = arccos(n_эфф/n_oв). (2)
Вывод вытекающего лазерного излучения происходит после, по крайней мере, одноразового преломления его на грани 12. Угол преломления выходного излучения на грани 12 равен
δ = arcsin(n_овsinϕ). (3)
При этом авторами [5] (а также [6]) для решения ими поставленной задачи определено, что отношение (n_эфф/n_ов) изменяется в диапазоне
0 < (n_эфф/n_ов)≤ 0,9986 (4)
а угол вытекания ϕ при этом лежит в пределах.

0 < ϕ ≤ 3^°. (5)
Авторами [5] получены следующие основные параметры изготовленного лазера - прототипа [5]: пороговая плотность тока j_пор равна 7,7 (кА/см²), пороговый ток I_пор равен 7,0 А при размере диода: длина L_ор, равная 400 мкм, ширина W_ао, равная 225 мкм, толщина d_ов, равная 100 мкм (до 200 мкм); угол вытекания ϕ ) равен 3,0^o, выходная мощность в коротком импульсе порядка 3 Вт, дифференциальная эффективность порядка 35.40%, расходимость (угол расходимости θ₁ в вертикальной плоскости для выводимого через грань 12 лазерного излучения была равной приблизительно 2^o. Вертикальной плоскостью названа плоскость, проходящая через продольную ось усиления и перпендикулярная активному слою 4.

Достоинством прототипа является малая расходимость для выводимого через грань 12 вытекающего излучения, возможность получения высоких мощностей и низкая плотность излучения на выводящей поверхности грани 12, обусловленные распределенным выводом излучения по всей длине активного слоя 4.

Однако прототипу присущи значительные недостатки: высокие значения пороговой плотности тока, которые, по крайней мере, были вдвое выше, в сравнении с обычными без вытекания лазерными диодами [5], и очень малый диапазон предлагаемых углов вытекания ϕ (5) в пределах более нуля и не более 3^o, большой угол расходимости θ₂ выходного излучения в плоскости, перпендикулярной к вертикальной плоскости и проходящей через ось направления вытекающего из середины активной области излучения, условно названной горизонтальной плоскостью. Кроме того, выбор одинаковых материалов для области втекания 9 с большим коэффициентом поглощения излучения (порядка 30 см^-1 см. [6]), большая толщина активного слоя 4 (0,1...2,0 мкм), конструкция лазера 1, в частности, выбор угла наклона ψ, равного нулю, ограничения, накладываемые выбором показателя преломления n_ов области втекания 9, превышающим показатель преломления n_огс, смежного с ней ограничительного слоя 6 - все это, в совокупности с высокой пороговой плотностью тока, не позволяет увеличивать длину оптического резонатора, ограничивает эффективность, выходную мощность излучения и расходимость излучения известных лазеров [5]. Следует также отметить технологическую сложность изготовления отражающих покрытий 8 на отражатели оптического резонатора и антиотражающих покрытий 13 на грани 12 области втекания 9, расположенных в непосредственной близости.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение пороговой плотности тока, увеличение дифференциальной эффективности, уменьшение астигматизма и угла расходимости выходного излучения в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, улучшение спектральных характеристик лазерного излучения, расширение диапазона направлений вывода лазерного излучения по отношению к продольной оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины оптического резонатора, что в совокупности приводит к повышению мощности, эффективности, ресурса и надежности работы инжекционного лазера, в том числе многолучевого, при упрощении технологии его изготовления.

Предложен инжекционный лазер, в котором, по крайней мере, часть среды оптического резонатора выполнена, по крайней мере, из части области втекания и, по крайней мере, из части области усиления, при этом, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен с коэффициентом отражения, выбранным из диапазона более нуля и менее единицы, активный слой сформирован, по крайней мере, из одного подслоя, ограничительные слои сформированы, соответственно, из ограничительных подслоев I; и I_i и II_j, где i= 1,2, . . . k и j=1,2,..m, определены как целые числа, означающие порядковый номер ограничительных подслоев, исчисляемый от активного слоя, соответственно, с показателями преломления n_Ii и n_IIj), меньшими n_a, и с шириной запрещенных зон E_Ii, E_IIj, в каждом ограничительном слое выполнено, по крайней мере, по одному ограничительному подслою, дополнительно введены барьерные области, область усиления выполнена, по крайней мере, одна, область втекания прозрачна для лазерного излучения, выполнена, по крайней мере, одна и, по крайней мере, из одной части, углы наклона ψ, по крайней мере, один из них, по абсолютной величине более нуля, причем угол наклона ψ условно назван положительным при образовании острого угла оптической грани с активным слоем и отрицательным при образовании тупого угла с последним, в работающем устройстве область усиления охарактеризована дополнительно введенными коэффициентом G_oy, см^-1 полного усиления излучения, распространяемого в области усиления, коэффициентом усиления G_ви, см^-1 вытекающего излучения из активного слоя в область втекания и коэффициентом суммарных потерь α_оуп, см^-1 для распространяемого в ней излучения, а область втекания охарактеризована введенным коэффициентом пороговых потерь α_овп, см^-1 при этом в работающем устройстве разность коэффициентов усиления G_oy, см^-1 и G_ви, см^-1, выбрана менее величины коэффициента α_оуп, см^-1 величина коэффициента G_ви, см^-1, выбрана более величины коэффициента α_овп, см^-1, а условие вытекания излучения из активного слоя в область вытекания излучения определено соотношениями:

причем n_эффmin больше n_min,
где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур с областями втекания излучения,
n_nmin - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj.

В преимущественных случаях исполнения устройства область усиления выбрана полосковой; ширина и длина области втекания излучения выполнены, соответственно, не менее ширины и длины области усиления; толщина области втекания излучения выбрана из диапазона 5...50000 мкм; область втекания излучения выполнена из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности для длины волны λ, мкм, лазерного излучения работающего устройства. В тех случаях, когда область втекания излучения выполнена из полупроводника, желательно иметь его ширину запрещенной зоны E_ов, эВ, превышающую E_а, эВ, более чем на 0,09 эВ.

Для упрощения технологии изготовления область втекания излучения выполнена в виде подложки; может быть электропроводной, при этом омический контакт сформирован к наружной поверхности области втекания излучения.

Для увеличения эффективной длины оптического резонатора и выходной мощности часть объема области втекания излучения, граничащая с лазерной гетероструктурой, толщиной не более W_oy, мкм, электропроводна, остальной объем выполнен из материала, имеющего коэффициент оптических потерь α_ов не более 0,1 см^-1, а омический контакт выполнен к электропроводной части области втекания излучения; или область втекания излучения выполнена, имеющей коэффициент оптических потерь α_ов не более 0,1 с^-1 омический контакт со стороны области втекания излучения выполнен к одному из электропроводных ограничительных подслоев, расположенному между активным слоем и областью втекания излучения и имеющему наименьшее значение ширины запрещенной зоны.

Для изготовления устройства с малым углом отклонения вытекающего лазерного луча от оси усиления в области усиления, по крайней мере, один из ограничительных подслоев выполнен с показателем преломления не менее n_ов.

Для упрощения технологии изготовления устройства, торцевая поверхность области усиления, по крайней мере, с одной стороны области усиления выполнена с тем же углом наклона и тем же коэффициентом отражения, что и смежная с ней оптическая грань области втекания.

Возможны различные модификации инжекционного лазера.

Для снижения пороговой плотности тока, увеличения эффективности и мощности, уменьшения угла расходимости в вертикальной плоскости при реализации вывода лазерного излучения через оптическую грань области втекания при нормальном падении на нее, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания, выполненная в виде отражателя оптического резонатора, сформирована с положительным углом наклона ψ, равным углу вытекания ϕ
Для решения тех же технических задач, но при реализации вывода лазерного излучения перпендикулярно к плоскости активного слоя, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания сформирована с отрицательным углом наклона ψ, равным (π/4)-(ϕ/2), и, по крайней мере, часть наружной поверхности области втекания, по крайней мере, в месте проекции на нее сформированной оптической грани области втекания выполнена в виде отражателя оптического резонатора; или, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания сформирована с положительным углом наклона ψ, равным (π/4)+(ϕ/2), и, по крайней мере, часть поверхности устройства, противолежащей области втекания, по крайней мере, в месте проекции на нее сформированной оптической грани области втекания выполнена в виде отражателя оптического резонатора. Для уменьшения угла расходимости выходного лазерного излучения в вертикальной плоскости в указанных выше модификациях предложенных лазеров другая оптическая грань области втекания сформирована с углом наклона ψ,, равным нулю, при этом на указанной оптической грани области втекания выполнено отражающее покрытие.

Для улучшения пространственно-спектральных характеристик, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде внешнего отражателя, при этом, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде плоского зеркала, или в виде цилиндрического зеркала, или в виде сферического зеркала, или в виде дифракционной решетки.

Для получения на выходном отражателе множества лазерных лучей, в том числе пространственно разделенных друг от друга и автономно включаемых рабочим током, по крайней мере, две области усиления с одинаковыми углами вытекания ϕ сформированы на внутренней поверхности, по крайней мере, одной области втекания, при этом в преимущественных случаях исполнения, к каждой области усиления с внешней стороны лазерной гетероструктуры выполнен автономный омический контакт, области усиления сформированы по крайней мере, из двух последовательностей областей усиления, в каждой из которых размещено, по крайней мере, две области усиления, причем оси усиления каждой области усиления в каждой последовательности параллельны между собой и помещены в плоскости активного слоя под прямым углом к оптическим граням единой для каждой последовательности области втекания; со стороны области втекания, по крайней мере, на части наружных поверхностей указанных единых областей втекания омические контакты и слои металлизации к ним выполнены в виде полос, по крайней мере, слоев металлизации для каждой указанной последовательности областей усиления; а со стороны размещения лазерной гетероструктуры слои металлизации к автономным омическим контактам выполнены в виде изолированных полос, размещенных параллельно осям усиления областей усиления.

Для увеличения выходной мощности, уменьшения толщины области втекания и улучшения условий отвода тепла области усиления сформированы, по крайней мере, вдоль одной линии, параллельной продольным осям усиления областей усиления, при этом шаг между началами областей усиления равен 2d_ов/tgϕ, а наружная поверхность, по крайней мере, в местах проекций на нее под углом вытекания ϕ областей усиления выполнена оптически отражающей; или, по крайней мере, по одной области усиления, имеющих одинаковые углы вытекания ϕ, сформировано на противоположных поверхностях области втекания излучения вдоль двух линий, параллельных между собой и продольным осям усиления областей усиления, при кратчайшем расстоянии между началами областей усиления на противоположных сторонах области втекания, равном d_ов/sinϕ.
Для последовательного по току соединения областей усиления в лазерах с электропроводной частью области втекания, по крайней мере, две рядом размещенные области усиления электрически разделены по току вплоть до непроводящей части объема области втекания, а омические контакты указанных областей усиления электрически соединены по току слоем металлизации.

Существом настоящего изобретения является оригинальная конструкция оптического резонатора, в которой в объем среды оптического резонатора включен не только активный объем области усиления с вытекающим усилением, но и пассивный объем области втекания, сформированные с соответствующим образом выполненными составами, толщинами, числом слоев лазерной гетероструктуры, конфигурациями оптических граней области втекания, омическими контактами и слоями металлизации, что позволило практически разграничить область формирования мод лазерного излучения и область инжекции неравновесных носителей и их стимулированной рекомбинации.

Настоящее изобретение будет понятно из фиг. 2 -22.

На фиг.2-8 схематически изображены продольные (вдоль оптической оси усиления области усиления) сечения различных конструкций предлагаемого инжекционного лазера с торцевыми поверхностями области усиления, выполненными в виде плоскостей, продолжающих плоскости соответствующих оптических граней, с односторонним выводом излучения, а именно:
на фиг. 2-4 - с оптическими гранями области вытекания излучения, выполненными в виде отражателей оптического резонатора, а также
на фиг.2 - с двумя наклонными гранями с углом наклона ψ,, равным ϕ,
на фиг.3 - с внешним отражателем в виде плоского зеркала к одной из наклонных граней,
на фиг.4 - с одной оптической гранью с углом наклона ψ, равным нулю,
на фиг.5-8 - с частями наружной поверхности области втекания излучения, выполненными в виде отражателей оптического резонатора, а также
на фиг.5 - с двумя наклонными оптическими гранями области вытекания излучения с отрицательными углами наклона ψ,, равными (π/4-ϕ/2),
на фиг.6 - с внешним отражателем в виде дифракционной решетки к одной из наклонных оптических граней,
на фиг.7 - с другой оптической гранью с углом наклона ψ,, равным нулю,
на фиг. 8 - с одной наклонной оптической гранью области втекания излучения с положительным углом наклона и другой наклонной оптической гранью с отрицательным углом наклона.

на фиг. 9-10 - схематически изображены продольные сечения конструкций с частями внешней поверхности лазерной гетероструктуры, выполненными в виде отражателей оптического резонатора, а также
на фиг. 9 - с двумя наклонными оптическими гранями с углами наклона ψ,, равным (π/4+ϕ/2),
на фиг. 10 с одной наклонной оптической гранью с углом наклона ψ,, равным (π/4+ϕ/2),, и другой - с углом наклона ψ,, равным нулю.

На фиг. 11-13 схематично изображены поперечные сечения конструкции предлагаемого инжекционного лазера в соответствии с различными вариантами выполнения омического контакта со стороны размещения области втекания, а именно,
на фиг.11 - на наружной поверхности области втекания излучения,
на фиг. 12 - на электропроводящем подслое ограничительного слоя, смежного с областью втекания излучения,
на фиг. 13 - на электропроводящей части области втекания, граничащей с лазерной гетероструктурой.

На фиг. 14-15 схематически изображены продольное (фиг. 14) и поперечное (фиг. 15) сечение предложенных инжекционных лазеров, соединенных по току последовательно-параллельно областями усиления, при одной области втекания.

На фиг. 16-18 схематически изображены продольные сечения, а на фиг. 19 - поперечное сечение предложенного лазера 1 с множеством, автономно управляемых током, областей усиления при единых областях втекания для ряда последовательностей областей усиления, а именно:
на фиг. 16 - с двумя наклонными оптическими гранями области втекания излучения с положительными углами наклона (см. фиг.9) и выводом лазерного излучения в направлении перпендикулярном к плоскости активного слоя,
на фиг. 17 - с одной наклонной оптической гранью оптического резонатора с положительным углом наклона и второй наклонной оптической гранью с отрицательным углом наклона (см. фиг.8) и выводом лазерного излучения в направлении, перпендикулярном к плоскости активного слоя.

на фиг. 18 - с двумя наклонными оптическими гранями области втекания излучения с положительными углами наклона (см. фиг.2), и выводом лазерного излучения под углом ϕ к плоскости активного слоя.

На фиг.20-21 схематично изображены продольные сечения предложенного лазера 1, с последовательно соединенными по току областями усиления, размещенными вдоль своих осей усиления и с единой областью втекания, а также
на фиг. 20 - с размещением 3-х областей усиления на внутренней поверхности области втекания,
на фиг. 21 - с размещением 4-х областей усиления на обеих поверхностях области втекания.

На фиг.22 схематично изображено сечение типичной гетероструктуры предложенного инжекционного лазера 1 в соответствии с примером 1 и Таблицей.

Предложенный лазер 1 (см. фиг.2) состоит из подложки 2, гетероструктуры 3, содержащей активный слой 4, помещенный между ограничительными слоями 5 и 6, соответственно, с подслоями I_i и II_j (на фиг.2 не показаны). Активный слой 4 состоит, например, из двух активных подслоев и разделяющих их барьерного подслоя (на фиг.2 не показаны). На удаленной от активного слоя 4 поверхности подслоя II_m ограничительного слоя 6 помещена полупроводниковая область втекания 9, ограниченная с торцевых сторон гранями 12, выполненными в виде отражателей оптического резонатора, а именно, на всю поверхность одной грани 12-1 нанесено отражающее покрытие 8 с коэффициентом отражения R_12-1, близким к единице, а на другую - частично отражающее покрытие 17. Торцевые поверхности 7 области усиления, определяющие длину области усиления L_oy, являются продолжением указанных плоскостей граней 12 с нанесенными на них покрытиями 8 и 17. Область втекания 9 выполнена с внутренней поверхностью 10 длиной L_овв, противолежащей наружной поверхности 11 длиной L_овн. На фиг.2, а также на последующих фиг. 3- 10,14,16-18,20-21 условными стрелочками изображены направления распространения лазерного излучения в области втекания 9 излучения и вне ее. Плоскости граней 12 отклонены от перпендикулярной плоскости. Угол наклона ψ грани 12 принят положительным при образовании гранью 12 острого угла с активным слоем 4, т.е. при ее наклоне внутрь активного слоя 4. Угол наклона ψ грани 12 принят отрицательным при образовании гранью 12 тупого угла с активным слоем 4, т.е. при ее наклоне наружу от активного слоя 4. На поверхности подслоя I_k ограничительного слоя 5 помещен контактный слой 14 и на нем сформирован омический контакт 15. С противоположной стороны на наружной поверхности 11 области втекания 9 (в данном случае на поверхности подложки 2) выполнен омический контакт 16.

Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.3 отличается от конструкции, изображенной на фиг. 2, тем, что одна из граней 12 области вытекания 9 выполнена в виде внешнего отражателя 18, при этом на грани 12 нанесено антиотражающее покрытие 13, а внешним отражателем 18 является плоское зеркало.

Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.4, отличается от конструкции, изображенной на фиг. 2, тем, что одна из граней 12 области вытекания 9 выполнена с углом наклона ψ, равным нулю, и на нее нанесено отражающее покрытие 8.

Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.5, отличается от конструкции, изображенной на фиг.2, тем, что отражателями оптического резонатора являются, в местах проекций граней 12, части наружной поверхности 11 области втекания со сформированными на них покрытиями 8 и 17, а обе грани 12 области вытекания 9, имеющие отрицательный угол наклона ψ,, равный (π/4-ϕ/2), являются отражателями полного внутреннего отражения лазерного излучения. Конструкция лазера 1, изображенного на фиг. 6, отличается от конструкции, изображенной на фиг.5 тем, что один из отражателей оптического резонатора является внешним 18 и он выполнен в виде отражательной дифракционной решетки.

Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.7, отличается от конструкции, изображенной на фиг.5, тем, что одна из граней 12 области вытекания 9 выполнена с углом наклона ψ , равным нулю, и на ней сформировано отражающее покрытие 8.

Конструкция лазера 1, изображенного на фиг.8, отличается от конструкции лазера, изображенной на фиг.5, тем, что грани 12 выполнены разными по знаку, но одинаковыми по абсолютной величине угла наклона ψ, равного 30 , а отличие конструкции лазеров 1, изображенных на фиг.9 и фиг.10 состоит в том, что две грани 12 (фиг.9) и одна грань 12 (фиг.10) наклонены под положительным углом ψ, равным (π/4+ϕ/2), при этом выходное излучение направлено под прямым углом к плоскости активного слоя в направлении к слоям гетероструктуры.

На поперечных разрезах предложенных лазеров 1 (см. фиг. 11 - 13, фиг. 15, фиг. 19) изображены различные варианты исполнения омических контактов 16 к области втекания 9, варианты формирования барьерных областей 19 и 19-1 для создания мезаполосок 20 (фиг. 11- 13) и раздельных областей усиления (фиг. 15, 19).

На фиг. 14, фиг. 16-18, фиг.20-21 изображены модификации конструкций лазеров 1 с несколькими областями усиления с введенными барьерными областями двух типов 19 и 19-1. Барьерная область 19-1 использована в конструкциях лазера 1 с электропроводной частью 21 области втекания 9, при этом она разделяет области усиления вплоть до другой, полуизолирующей части 22 области втекания 9 (см. фиг. 15, 20). На тех же фиг. 14, фиг. 16-18, фиг.20-21 изображены слои металлизации трех типов 23, 24, 25, соответственно к омическим контактам 15,16 и соединяющие их.

Область втекания 9 и слои типичной лазерной гетероструктуры 3 предложенного инжекционного лазера 1 в соответствии с Таблицей на с. 38 показаны на фиг.22: слои 26-28 относятся к ограничительному слою 5, слои 29-31 относятся к активному слою 4 и слои 32-34 относятся к ограничительному слою 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к источнику питания в активном слое 4 устройства возникает спонтанная рекомбинация. Выбором составов, толщин и числа слоев и подслоев гетероструктуры 3 обеспечивается выполнение условия: разность между полным коэффициентом усиления G_oy, см^-1 в области усиления и коэффициентом усиления G_ви для вытекающего из области усиления излучения не превышает значение коэффициента суммарных потерь α_уоп см^-1, для распространяемого в области усиления излучения. При этом условии генерация лазерного излучения в области усиления не возникает и большая доля спонтанного излучения, возникающего в активном слое, будет направлена под углом вытекания ϕ из активного слоя 4 в область втекания 9. Указанные суммарные потери складываются в основном из оптических (поглощение, рассеяние) потерь излучения в области усиления, определяемых коэффициентом α_оу, и потерь излучения на выход излучений в начале и конце активного слоя.

Углы наклона ψ обеих граней 12 области втекания 9 выбраны, как например, для конструкции предложенного лазера 1 в соответствии с фиг.2, положительными и равными углу вытекания ϕ, а коэффициенты отражения R_12-1 и R_12-2, соответственно, на первой и второй грани 12, являющимися отражателями оптического резонатора, выбраны, например, R_12-1 близким к единице и R_12-2 - частично отражающим. Отразившись от одной грани, например, 12-1 излучение вводится под углом ввода ξ, равным углу вытекания ϕ, в область усиления, где после соответствующего усиления вновь вытекает в область втекания 9 с тем же углом вытекания ϕ. Далее, после падения на другую оптическую грань 12-2 с R_12-2 часть излучения будет выведена из области втекания 9, а часть отразится и вновь под углом ввода ξ, равным углу вытекания ϕ, попадет в область усиления, где после очередного усиления повторит свой периодический цикл. Описываемый ход лучей показан на фиг.2, а также на фиг.3-10 условными прямыми линиями со стрелочками.

Отметим, что здесь мы, основываясь на известном в оптике принципе обратимости хода лучей в нелинейных оптических системах, примененном нами к многослойной лазерной гетероструктуре, приняли, что угол вытекания излучения ϕ из активного слоя 4 в область втекания 9 должен быть равен углу втекания излучения ξ из области втекания 9 в активный слой 4.

В работающем устройстве, когда ток накачки достигнет такой величины, при которой коэффициент усиления G_ви для вытекающего излучения, втекающего в объем области втекания 9, ограниченного с обеих торцевых сторон наклонными гранями 12, превысит коэффициент пороговых потерь α_овп в области втекания 9, определяемый поглощением, рассеянием и полезными потерями излучения на выход его через наклонные грани (отражатели оптического резонатора), в объеме оригинального оптического резонатора возникнет генерация лазерного излучения. Условие порога генерации, полученное нами, при этом записывается как
G_ви,пор= α_овп= μ•α_ов+α_вых+α_дифр, (6)
где α_вых - - коэффициент полезных потерь, связанный с выводом лазерного излучения из оптического резонатора, равный
α_вых= (2L_оу)^-1•Ln(R_12-1R_12-2)^-1, (7)
α_дифр - коэффициент диффракционных потерь лазерного излучения при выходе его из оптического резонатора, равный
α_дифр= (L_op)^-1•Ln{1-(λL_op/n_овS_отр)}^-1, (8)
μ - коэффициент, который в зависимости от модификации лазера 1, может изменяться примерно от 0,8 до 3,0, S_отр - площадь отражателей оптического резонатора, a L_ор - длина оптического резонатора, равная
L_op= (μ•L_oy) (9)
Плотность тока через инжекционный лазер, при которой выполняется соотношение (6), есть пороговая плотность тока j_пор
Существенным отличием от прототипа [5] и аналогов [1-4] является то, что в предложенных лазерах 1 формирование мод в оптическом резонаторе происходит, по большей части, при распространении лазерных лучей в однородном, не усиливающем, слабо поглощающем объеме области втекания и лишь после падения отраженных от оптических граней 12-1 и 12-2 лазерных лучей на область усиления и полного внутреннего отражения лучей на границе области втекания со слоями гетероструктуры 3 происходит их локальное усиление. В прототипе [5], так же как и аналогах [1-4] усиление и формирование соответствующих мод лазерного излучения осуществляется принципиально иначе: оно происходит целиком в тонком, активном, диэлектрическом волноводе области усиления, ограниченном торцевыми отражателями оптического резонатора. Предложенный лазер может быть назван инжекционным лазером (или диодным лазером) с объемным резонатором.

Указанные существенные отличия предложенного лазера 1 определяют его основные достоинства. Пороговая плотность тока j_пop в предложенных лазерах может быть снижена по отношению к прототипу. Это обусловлено тем, что при равных полезных потерях на выход излучения, определяемых коэффициентом α_вых (7), внутренние оптические потери в объеме однородной области втекания, определяемые коэффициентом μ•α_ов, см^-1 могут быть получены меньше внутренних оптических потерь в многослойной области усиления, определяемых коэффициентом α_оу, где к процессам поглощения излучения добавляются процессы рассеяния, отрицательная роль которых в многослойных лазерных гетероструктурах возрастает. Что же касается известных дифракционных потерь, то выбором числа Френеля N = λL_op/n_овS_отр много большим единицы, они могут быть сделаны, пренебрежимо малыми, см. (8), а также [8].

Кроме того, в предложенных мною лазерах 1 возможно дополнительное снижение пороговой плотности тока. Если в известных лазерах [5, 6] существует узкий диапазон для режимов вытекания излучения, определяемый особенностями структур, используемых в [5, 6], то в предложенных мною реализуется режим вытекающего излучения для значительно более широкого диапазона углов вытекания ϕ и, соответственно, отношений (n_эфф/n_ов). Верхнюю границу рассматриваемых углов вытекания ϕ_max предложено определять соотношениями:
arccos(n_эфф/n_ов)≤arccos(n_эффmin/n_ов) = ϕ_max, (10)
при n_эффmin,более n_min (11)
где n_эффmin - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур 3 с областями втекания 9, а n_min - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj подслоев ограничительных слоев 5 и 6.

Численными расчетами для гетероструктуры 3, например, на основе используемых соединений InGaAs/GaAs/AIGaAs, излучающих на длине волны 0,92-1,16 мкм, предельный угол вытекания ϕ_max примерно равен 30^o. Анализ, проведенный нами на основании численных расчетов гетероструктур 3 с различными углами для вытекающего излучения, позволил заключить, что
при заданном токе через лазер с возрастанием угла вытекания ϕ происходит существенное увеличение коэффициента усиления G_ви для вытекающего излучения из области усиления в область втекания 9. Условие (6) для порога генерации при этом выполняется при меньших токах. Таким образом, для предложенных лазеров 1 пороговая плотность тока может быть дополнительно снижена за счет выбора гетероструктур с большими углами вытекания ϕ. Этот угол вытекания за счет выбора наклонных граней 12 может быть достигнут вплоть до максимального угла вытекания ϕ_макс (10).

Отметим, что пороговые плотности токов для предложенных лазеров при достаточно больших значениях угла вытекания ϕ могут быть получены меньше не только по сравнению с пороговыми токами лазера прототипа с малым углом вытекания ϕ [5, 6], но и по сравнению с пороговыми токами современных инжекционных лазеров с квантово-размерными активными слоями, например в [1]. Это связано с тем, что в предложенных лазерах 1 лазерное излучение из области усиления через торцевые поверхности не выводится, в то время как для обычных лазеров необходим контроль угла расходимости в вертикальной плоскости для лазерного излучения, выходящего через торцевые отражатели непосредственно из области усиления. В современных лазерах этот угол обычно порядка 30^o-50^o и часто решается задача его уменьшения. Это неизбежно приводит к возрастанию пороговой плотности тока. В предложенных лазерах возможно формировать гетероструктуру с большим значением указанного угла расходимости, например, более 80^o. В этом случае одновременно с увеличением угла вытекания ϕ заметно возрастает коэффициент локализации Г оптического излучения, а также коэффициент G_oy полного усиления излучения в области усиления и, следовательно, коэффициент G_ви усиления вытекающего излучения, что неизбежно приводит к дополнительному снижению пороговых плотностей тока (см.(6), а также, например, [9]).

Мною получена следующая формула для внешней дифференциальной эффективности предложенных лазеров 1:
η_d= η₁•η₂, (12)
где η₁ - эффективность вывода вытекающего излучения из области усиления в область втекания 9 излучения, равная
η₁= G_ви/(G_ви+α_оуп), (13)
а η₂ эффективность вывода лазерного излучения из объема оптического резонатора, равная
η₂= α_вых/(α_вых+μ•α_ов+α_дифр) (14)
Как для предложенного лазера 1, так и для лазера прототипа [5] дифференциальная эффективность η_d зависит от величины коэффициента η₁, определяющего эффективность вывода вытекающего излучения из области усиления в область втекания 9. В прототипе увеличение коэффициента G_ви ограничено возрастающим пороговым током генерации. В предложенном лазере 1 данное ограничение отсутствует. Это дает возможность коэффициент G_ви выбирать существенно большим, чем α_оуп и за счет этого повысить как дифференциальную эффективность η_d [см. (12), (13)], так и величину эффективности η лазера-полной эффективности без учета потерь, обусловленных электрическим сопротивлением, определяемую как
η = η_d•η_пор, (15)
где эффективность достижения пороговой генерации
η_пор= (1-j_пор/j_раб), (16)
a j_раб - рабочий ток через лазер 1.

Таким образом, увеличение η определяется не только увеличением η_d, но и уменьшением j_пор.

В предложенных лазерах могут быть также существенно улучшены пространственно-спектральные характеристики лазерного излучения. Это обусловлено оригинальной конструкцией лазера 1, в которой формирование моды лазерного излучения происходит в основном в однородном объеме области втекания 9 (оптического резонатора) при отсутствии инжекции неосновных носителей и усиления. Концентрация инжектированных носителей и усиление влияют на величину показателя преломления, что в значительной степени определяет нестабильность пространственно-спектральных характеристик инжекционных лазеров [10] . В отличие от предложенных лазеров 1, где эти процессы происходят лишь на очень малой части от полной длины оптического пути, в прототипе [5] и аналоге [1-4] они имеют место вдоль всей длины оптического резонатора. В связи с этим в предложенных лазерах угол расходимости выходного излучения может быть значительно уменьшен не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Режим генерации одной пространственной моды по поперечному индексу в направлении, параллельном слоям лазерной гетероструктуры (при соответствующем уменьшении угла расходимости θ₂ в горизонтальной плоскости) может быть сохранен при значительно больших размерах полоска: 100 мкм и более, в зависимости от длины оптического резонатора L_op(9).

Угол расходимости θ₁ выходного лазерного излучения в вертикальной плоскости с увеличением угла вытекания ϕ в отличие от прототипа будет непрерывно снижаться, поскольку при выбранном наклоне оптических граней падение лазерного излучения на них будет нормальным для всего предложенного диапазона углов вытекания ϕ [см.(9)] и ограничения, существующие для прототипа, связанные с преломлением и полным внутренним отражением луча на оптической грани в предложенных лазерах отсутствуют. Линейный размер выходной апертуры для предложенных лазеров с увеличением угла вытекания ϕ будет возрастать в соответствии с соотношением
d_ап= L_оу•sinϕ, (17)
соответственно, угол расходимости θ₁ в вертикальной плоскости (для оптически однородной области вытекания 9) будет уменьшаться обратно пропорционально d_aп, а именно
θ₁≅ λ•(L_оуsinϕ)^-1. (18)
По указанным выше причинам в предложенных лазерах могут быть также улучшены спектральные характеристики, а именно: достигнута более устойчивая генерация лазерного излучения в режиме одной частоты в более широком диапазоне токов; существенно уменьшен так называемый "чирп-эффект" [11], определяющий сдвиг частоты генерируемого лазерного излучения с изменением амплитуды тока накачки.

Отметим также, что предлагаемые лазеры 1 имеют особенность, которая существенно упрощает технологию их изготовления. В прототипе, для исключения нежелательных потерь необходимо, по крайней мере, чтобы с одной стороны отражатель оптического резонатора имел коэффициент отражения, близкий к единице, а оптическая грань 12 области втекания 9, граничащая с ним, напротив, коэффициент отражения, близкий к нулю. Ввиду малых размеров выполнить это простыми средствами сложно. Поскольку для предложенных лазеров 1 в области усиления генерация лазерного излучения не возникает, и к тому же выполняется условие - коэффициент G_ви существенно больше α_оуп, то возможно без заметного влияния на выходные характеристики, упростить технологию изготовления предложенных лазеров, выполняя углы наклона и коэффициенты отражения для граней 12 и смежных с ними торцевых поверхностей 7 одинаковыми.

Кроме названных выше, имеется также ряд других отличий предложенного лазера 1 от прототипа, определяющих эффективность его использования.

В предложенных лазерах 1, в общем случае, активный слой может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев, в том числе имеющих квантово-размерные толщины, разделенные между собой барьерными подслоями.

Ограничительные слои, граничащие с активным слоем по обе стороны от него, в случае, когда активный слой состоит из подслоев, как правило выполнены из двух и более подслоев с каждой стороны активного слоя. Для случая, когда активный слой состоит из одного подслоя с толщиной примерно 50 нм и более, каждый ограничительный слой может состоять из одного подслоя.

Заметим, что используемые градиентные слои (см. например, [1]) рассматриваются нами как конечное число подслоев ограничительного слоя с соответствующими n_Ii и n_IIj, полученные разбиением каждого градиентного слоя. При этом, как правило, показатели преломления ограничительных слоев обычно меньше показателей преломления активных подслоев.

Поскольку область втекания 9 является фактически пассивным объемом оптического резонатора, необходимо, чтобы в предложенном лазере 1 оптические потери (на поглощение, рассеяние) этих излучении были в ней малы, а именно, для коэффициента оптических потерь α_ов выполнялось полученное нами условие
α_ов≪ (2μL_je)^-1ln(R_12-1R_12-2)^-1 (19)
Очевидно, что в первую очередь, для выполнения (19) необходимо, чтобы область втекания 9 излучения была оптически однородной для лазерного излучения, а ширина запрещенной зоны E_ов материала области втекания 9 излучения была больше ширины запрещенной зоны E_а активного слоя 4, которой определяется длина волны лазерного излучения. Потери на поглощение снижаются примерно по экспоненциальному закону в зависимости от различия E_ов и E_а [12]. Для снижения коэффициента оптических потерь α_овб см^-1, а следовательно, для достижения (наряду с высокой дифференциальной эффективностью η_d низким j_пop одной из целей настоящего изобретения - увеличения эффективной длины оптического резонатора, нами предложено выполнять область втекания 9 из тех материалов, для которых длина волны λ, мкм, попадает в область их прозрачности. В частности, для полупроводниковых материалов желательно обеспечить превышение E_ов над E_а не менее 0,09 эВ при концентрации свободных носителей в области втекания 9 не более 1•10¹⁸ см^-3. В этом случае коэффициент оптических потерь на поглощение может достигать величин порядка 0,1 см^-1 и меньше. Так, для лазеров 1 с E_а, равной 1,265 эВ (длина волны λ равна 0,98 мкм), и области втекания 9, выполненной из арсенида галлия (E_ов равна 1,42 эВ) с концентрацией свободных электронов 1.10¹⁸см^-3, расчет, в соответствии с [12], показал, что коэффициент, обусловленный поглощением излучения в области втекания 9, менее 10^-3 см^-1. Для сравнения, отметим, что в то же время, например, при различии E_ов и E_а приблизительно на 0,023 эВ указанный коэффициент в соответствии с [12], составляет примерно 230 см^-1.

В тех случаях, когда для получения очень низких значений область втекания 9 становится непроводящей, нами предложено:
- во-первых, (см. фиг. 13) выполнять часть объема 21 области втекания 9, граничащую с подслоем 31 (IIm) лазерной гетероструктуры 3, с высокой проводимостью, а оставшуюся часть 22 объема области втекания 9 - с низкой проводимостью, но при этом и с низким коэффициентом α_ов< 0,1 см^- В этом случае омический контакт 16 со стороны области втекания 9 выполнен к указанному электропроводящему подслою 21, толщину которого целесообразно выполнять не более ширины W_oy области усиления,
- во-вторых (см. фиг. 12), выполнять, по крайней мере, один из подслоев ограничительного слоя 6 электропроводным и к нему формировать омический контакт 16, причем для снижения омических потерь указанный электропроводный слой следует выполнять, имеющим наименьшее значение ширины запрещенной зоны.

Эффективность использования предложенных вариантов исполнения омического контакта 16 зависит от ширины W_oy и от значений плотностей токов накачки j_paб, А/см² протекающих через предлагаемый лазер 1.

В случае малых оптических потерь в области втекания 9, в качестве последней технологично использовать полупроводниковую подложку 2 с омическим контактом 16 к ней на наружной поверхности области втекания 9 (см. фиг. 2,11).

В общем случае, область втекания 9 может быть выполнена не только из полупроводниковых материалов. Важно лишь, чтобы ее характеристики, в частности, показатель преломления n_ов и коэффициент оптических потерь α_ов на поглощение и рассеяние, отвечали необходимым требованиям (1) и (19).

Естественно также, что длина L_овв и ширина W_ов области втекания 9 не должны быть меньше, соответственно, длины L_oy и ширины W_oy области усиления вдоль всей длины предлагаемого лазера 1. Выбор толщины d_ов зависит от угла вытекания ϕ, длины L_oy, углов наклона оптических граней и может варьироваться в широких пределах от 5,0 мкм до 50000 мкм и более. Так, например, для конструкции предложенного лазера 1, в соответствии с фиг. 2, целесообразно толщину d_oв выбирать не менее, чем
d_ов= L_оввtgϕ/(1+tg²ϕ). (20)
Для конструкции предложенного лазера 1 с несколькими областями усиления, например, см. фиг.20, толщина области втекания 9 уменьшена в число используемых областей усиления.

Для тех конструкций лазера 1, в которых при больших значениях L_oy нежелательно иметь большую толщину d_ов, мкм, нами предложено в ограничительные слои 5 и/или 6 вводить подслои с показателями преломления большими или равными n_ов. Это приводит к тому, что значение n_эфф возрастает и, следовательно, угол вытекания ϕ уменьшается. Малые толщины d_ов приводят к экономии материала области втекания. Недостатком таких лазеров 1 является, как указывалось выше, более высокие плотности пороговых токов.

Наряду с описанной выше конструкцией лазера 1 в соответствии с фиг.2 нами предложено несколько других модификаций.

Основное отличие модификации лазера (см. фиг.5) состоит в том, что наклонные грани 12 выполнены с отрицательным углом наклона ϕ, равным (π/4-ϕ/2), а отражатели для формирования оптического резонатора образованы на наружной поверхности 11 области втекания 9 в местах проекций соответствующих граней 12 на нее. Эта конструкция дает возможность выводить лазерное излучение в направлении, перпендикулярном к плоскости активного слоя. Данная модификация наряду с другими, (см. фиг.7-10), является конкурентоспособной с широко изучаемым в настоящее время лазером с вертикальным резонатором [13]. На основе модификаций предложенных лазеров 1, (см. фиг.2,4,5,7-10), можно изготовить многолучевые лазеры (т. е. лазеры с множеством выходных лазерных лучей), в том числе с их автономным (управляемым) включением с высокими энергетическими и спектральными характеристиками.

Конструкции лазеров 1, (см. фиг.3 и фиг.6), отличаются от других конструкций тем, что для улучшения спектральных характеристик, а также для их контроля, например, получения одной пространственной моды, (см. фиг.3), или выделения одной частоты лазерной генерации и ее перестройки, (см. фиг.6), один из отражателей оптического резонатора, а именно внешний, выполнен в виде, например, плоского зеркала или диффракционной решетки.

Формирование одной из граней 12 области втекания 9 с углом наклона ψ, равным нулю (см. фиг. 4 и фиг.7) с отражающими покрытиями 8 на ней, приводит при тех же длинах области усиления, что и у лазеров 1 в соответствии с фиг.2 и фиг.5, примерно к удвоению линейного размера выходной апертуры с соответствующим уменьшением угла расходимости θ₁ в вертикальной плоскости.

Модификация лазера 1 (см. фиг. 8) отличается от всех предыдущих тем, что одна грань 12 области втекания 9 выполнена с положительным углом наклона ψ, а другая с отрицательным углом наклона ψ, при этом указанные углы наклона ψ по абсолютной величине равны 30 .

Особенностью модификации лазеров 1 (см. фиг.9, фиг. 10) является наклоны обеих граней 12 (фиг. 9) и наклон одной грани 12 (фиг.10) с положительным углом наклона ψ,, равным (π/4+ϕ/2),, и вывод излучения в сторону слоев гетероструктуры.

Модификации лазера 1 (см.фиг. 14-21) отличаются от предыдущих тем, что их конструкции включают две и более (множество) областей усиления. Особенностью многолучевого лазера 1 (фиг. 14,15) является то, что все области усиления, например, шесть, размещены на внутренней поверхности 10 одной области втекания 9. Области усиления чаще всего (но не обязательно) имеют прямоугольную форму и их центры размещены с заданными периодами расположения, как вдоль, так и поперек оси усиления области усиления. В работающем устройстве каждой области усиления на отражателе оптического резонатора с частично отражающим покрытием 17 будет соответствовать свое ближнее поле излучения и свой лазерный луч. При правильно выбранных характеристических размерах, в том числе длинах оптических резонаторов и соответствующих областей усиления различные ближние поля не будут перекрываться (см. фиг. 14).

Особенностью многолучевых лазеров 1 (см.фиг. 16-19) является то, что единая область втекания 9 с едиными гранями 12 сформирована для линейной последовательности (линейки) областей усиления. При этом между мысленными продолжениями осей усиления и плоскости граней 12 в плоскости активного слоя образованы прямые углы. Устройство может содержать достаточно большое количество таких линеек, монолитно объединенных общей для всех линеек лазерной гетероструктурой с барьерными областями, которые отделяют линейки друг от друга. Каждой области усиления в каждой такой линейке областей усиления будет соответствовать свой лазерный луч. Направление вывода излучения из таких многолучевых лазеров 1, с множеством раздельных областей усиления, может быть как перпендикулярным (см.фиг. 16,17) к плоскости активного слоя, так и под углом вытекания ϕ (см, фиг. 18). В отличие от лазеров 1, изображенных на фиг. 14,15, толщина области втекания 9 в лазерах 1, изображенных на фиг. 16-19 может быть значительно снижена, а плотность лазерных лучей на 1 см² существенно увеличена. Для предложенных многолучевых лазеров (фиг. 14-21) возможно осуществить различные виды электрического соединения областей усиления. Наиболее общим является такое соединение, при котором каждая область усиления, входящая в лазер 1, могла быть включена автономно, т.е. независимо от остальных. В применении к предлагаемому лазеру 1 (фиг. 16-19) это реализуется выполнением автономных омических контактов к каждой области усиления и соответствующих слоев металлизации 23, 24 в виде системы взаимно перпендикулярных полос.

При автономном подключении тока к любой области усиления лазер 1 фактически является управляемой матрицей лазерных лучей. В лазере 1 (см. фиг. 14-21) с определенно расположенными электрическими соединениями полос слоев металлизации можно также получить последовательное, параллельное или последовательно-параллельное соединение по току областей усиления, входящих в модификации лазера 1. Это позволяет обеспечить наиболее эффективное согласование мощных многолучевых лазеров с источниками питания.

Особенностью конструкций лазеров 1 (см. фиг.20,21) является то, что они включают несколько областей усиления, которые последовательно одна за другой включены в единый оптический резонатор устройства. Это реализовано за счет переотражений от оптических наружных поверхностей 11 области втекания 9 (фиг. 20), либо за счет отражений с соответствующим усилением лазерного излучения от областей усиления, расположенных на обеих поверхностях области втекания 9 (фиг. 21). Эти лазеры 1 обеспечивают увеличенную эффективную длину оптического резонатора при меньших толщинах области втекания, в том числе при больших углах вытекания ϕ. При этом, что важно для мощных лазеров 1, обеспечиваются более благоприятные условия для отвода тепла вследствие распределенности источников тепловыделения в областях усиления.

Другой особенностью данных конструкций лазеров 1 (см. фиг.20, 21) является последовательное соединение по току областей усиления.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенных лазеров 1 в соответствии с формулой изобретения определила их основные достоинства. Снижение пороговой плотности тока, увеличение дифференциальной эффективности, получение малых углов расходимости, близких к диффракционным, для двух взаимно перпендикулярных направлений выходного излучения, в том числе повышение устойчивости одномодового режима генерации, существенное уменьшение зависимости длины волны генерируемого лазерного излучения от амплитуды тока накачки, возможность увеличения эффективной длины оптического резонатора обусловлено главным отличием предложенных лазеров 1 - отказом от традиционного диэлектрического волновода с активным слоем внутри в качестве среды для генерации и формирования волноводных направляемых мод. Дополнительными достоинствами предложенных лазеров является возможность получения различных, в том числе перпендикулярного к плоскости активного слоя направлений выхода лазерного излучения, повышенный срок службы и надежность работы, высокая технологичность его изготовления.

Достоинствами предложенных лазеров 1 с множеством областей усиления, наряду с указанными выше, является интегральная технология их изготовления.

Обращаем внимание, что техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазеров. Поэтому считаем, что предложенное изобретение обладает промышленной применимостью. Считаем, что признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем, новизной.

Изложенное выше позволило заключить, что нами решена поставленная техническая задача:
снижение пороговой плотности тока, увеличение дифференциальной эффективности, уменьшение астигматизма и угла расходимости выходного излучения в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, улучшение спектральных характеристик лазерного излучения, расширение диапазона направлений вывода лазерного излучения по отношению к продольной оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины оптического резонатора, что в совокупности приводит к повышению мощности, эффективности ресурса и надежности работы инжекционного лазера, в том числе многолучевого, при упрощении технологии его изготовления.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1.

Предложенный лазер 1 (см. фиг.2) с односторонним выводом лазерного излучения выполнен в виде определенной конфигурации полупроводникового монокристалла, состоящего из ряда полупроводниковых слоев 14, 26-34 (см. фиг. 22), выращенных известным методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке 2 из электропроводящего арсенида галлия. Состав, толщины, показатели преломления, тип, концентрации легирования, и коэффициенты поглощения слоев 26-34 гетероструктуры 3, контактного слоя 14 и области втекания 9 приведены в Таблице. Данная гетеростуктура 3 с указанными изменениями была также использована в примерах 2-6 предложенного лазера 1. Точности определения параметров: ±0.5 соответствующих единиц после последнего указанного знака. Длина волны излучения для данной гетероструктуры 3 равна 980 нм. Длина области усиления равна 4000 мкм. Длина оптического резонатора L_op= μ•L_oу, см. (9), и равна 3760 мкм, при этом коэффициент μ = cosϕ = 0,9397. Ширина W_oy мезаполосковой области усиления, ограниченная с боковых сторон барьерными областями 19 равна 400 мкм. Полная ширина лазерного кристалла равна 1000 мкм. Область втекания 9 излучения выполнена в виде подложки 2, которой придана определенная требуемая форма. Обе грани 12 области втекания 9 выполнены наклонными с положительным углом наклона ψ,, равным углу вытекания ϕ = 20^°.. На одной грани 12 сформировано отражающее покрытие 8 с коэффициентом отражения R_12-1, равным 0,999, на другой - частично отражающее покрытие 17 с коэффициентом отражения R_12-2, равным 0,01. Торцевые поверхности 7, ограничивающие область усиления с торцев, являются продолжением соответствующих плоскостей наклонных граней 12 и имеют те же коэффициенты отражения. Толщина d_ов области втекания 9 равна 1286 мкм.

Известные омические контакты 15 и 16 [14] сформированы, соответственно, к контактному слою 14 p-типа проводимости и к наружной поверхности 11 области втекания 9 (подложке 2) n-типа проводимости. Лазер 1 устанавливали на теплоотводящую пластину (на фиг.2-21 не показаны) стороной омического контакта 15. К омическим контактам 15 и 16 подавали требуемое питание.

Основные параметры как для лазера 1 по примеру 1, так и для других изложенных ниже примеров исполнения, были получены численным моделированием, выполненным по специальной программе, в основу которой положен матричный метод [15] решения уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями в многослойных лазерных гетероструктурах. При расчетах были приняты следующие исходные параметры: коэффициент модового усиления в активном слое 4, необходимый для достижения инверсии, равен 200 см^-1, коэффициент пропорциональности между усилением излучения в активном слое 4 и концентрацией инжектированных электронов в активный слой 4 равен 5•10^-16 см^-1, время жизни неравновесных электронов в активном слое 4 равно 1 нс.

При расчетах были также приняты: коэффициент оптических потерь α_ов (поглощение, рассеяние) в области усиления, равным 3 см^-1 (см. [16]), и в соответствии, например, с [12], значение коэффициента оптических потерь α_ов лазерного излучения в области втекания 9, равным 0,1 см^-1. Потери на выход спонтанного излучения через торцевые поверхности 7 области усиления ввиду их малости в расчетах не учитывались.

Принятые значения параметров являются типичными для рассматриваемой лазерной гетероструктуры 3 на основе InGas/GaAs/AlGaAs. При переходе к гетероструктуре 3 на других соединениях, например, GaInPAs/lnP, эти параметры могут несколько измениться.

Численным расчетом были получены следующие результаты для лазера 1 по примеру 1:
- пороговая плотность тока j_порp равна 89,3 А/см²
- угол вытекания ϕ равен 20^o,
- эффективный показатель преломления n_эфф равен 3,3124,
- коэффициент усиления G_ви для вытекающего излучения, (достигаемый при плотности рабочего тока j_paб, равной 2500 А/см²) равен 320 см^-1
- коэффициент полезных потерь α_вых (7) для выходного лазерного излучения из области втекания 9 равен 11,515см^-1.

- коэффициент оптических потерь, определяемый как μ•α_ов, равен 0,09397 см^-1,
- коэффициент пороговых потерь α_овп в области втекания 9, определяемый по формуле (6) равен 11,609; при этом рассчитанный нами коэффициент α_дифр по формуле (8) был пренебрежимо мал,
- площадь области усиления S_oy равна 1,6-10^-2см^-2,
- пороговый ток I_пop, определяемый как произведение j_пop на S_oy, равен 0,8А,
- дифференциальная эффективность η_d равна 0,9827, см. (12), а ее составляющие η₁ равна 0,9907, см. (13), а η₂ равна 0,9919, см. (14),
- эффективность достижения пороговой генерации η_пор (16) при j_paб, равной 2500 А/см², равна 9643, эффективность лазера 1 η,, определяемая как произведение η_d и η_пор, см. (14), равна 0,9476,
- выходная мощность лазерного излучения P, определяемая при рабочем токе I_раб, равном 40 А, равна 47,95 Вт.

- площадь ближнего поля излучения (выходная апертура) S_aп равна 0,51•10^-2 см² (определяется как произведение d_aп и W_oy, где d_aп равен 1368 мкм, определяемый произведением L_oy и sinϕ, а W_oy равна 400 мкм),
- угол расходимости θ₁ выходного излучения в вертикальной плоскости равен 0,72 мрад, а в перпендикулярной к ней - горизонтальной плоскости θ₂ равен 2,45 мрад,
- плотность p лазерного излучения на выходной грани 12-2, определяемая как отношение P к S_aп, равна 9402 Вт/см².

Пример 2.

Конструкция лазера 1 по данному примеру 2 (см. фиг.3) отличалась от конструкции лазера 1 по примеру 1 тем, что на грань 12-1 было нанесено антиотражающее покрытие 13, а внешний отражатель 18 был выполнен в виде плоского зеркала размером 2500 x 2500 мкм² с коэффициентом отражения, равным 0,999, которое было параллельно грани 12-1 и отстояло от нее на 10000 мкм. Ширина W_oy была равна 1368 мкм, а полная ширина лазерного кристалла - 3000 мкм. Основные параметры лазера 1 по данному примеру, отличающиеся от лазера 1 по примеру 1, были следующими:
S_oy = 5,47•10^-2см², I_пop= 1,43A, I_раб = 136,75 А, P = 163,9 Вт, S_aп = 1,87•10²см², а θ₁= θ₂= 0,72 мрад.
Пример 3.

Конструкция лазера 1 по данному примеру 2 (см. фиг. 5, фиг. 11) отличалась от конструкции лазера 1 по примеру 1 следующим.

Длина области усиления L_oy была равна 500 мкм, обе грани 12 области втекания 9 были выполнены с отрицательным углом наклона ψ, равным 35^o. Ширина W_oy была выбрана равной 340 мкм. Толщина d_ов области втекания была равна 500 мкм, а длина L_овн равна 1700 мкм. На наружной поверхности 11 в месте проекции на нее грани 12-1 было сформировано отражающее покрытие 8 с коэффициентом отражения R_12-2, равным 0,999, а в месте проекции другой грани 12-2 -частично-отражающее покрытие 18 с коэффициентом отражения R_12-2, равным 0,02. Длина L_ор оптического резонатора, определяемая как произведение μ и L_oy(9), была равна 1940 мкм, при этом коэффициент μ равен 1,94.

Для лазера 1 по данному примеру были получены следующие, отличные от примера 1, параметры:
- пороговая плотность тока j_пop равна 42 А/см²,
- коэффициенты потерь: α_вых= 3,913 см^-1, μ•α_ов= 0,194 см^-1, a α_дифр,
рассчитанное по (8), пренебрежимо мало, и, следовательно, α_овп= 4,107 см^-1,
- коэффициенты эффективностей:

-пороговый ток I_пор равен 0,143 А при S_oy, равной 0.34•10^-2см²
- рабочий ток I_раб равен 8,5 А при j_раб, равной 2500 А/см², при этом выходная мощность лазера 1 в режиме одной пространственной моды равна 9,98 Вт, а углы расходимости θ₁ и θ₂ одинаковы и равны 2,8 мрад.

Пример 4.

Основные конструктивные отличия лазера 1 по примеру 4 (фиг.9, фиг. 11) от лазера 1 по примеру 1 состояли в том, что угол наклона ψ граней 12 был равен 55^o, область усиления шириной 15,3 мкм, и длиной, равной 45 мкм, расположена в середине внутренней поверхности 10, ширина W_овв которой равна 25 мкм, а длина L_овв равна 135 мкм, в места проекций граней 12-2 и 12-1 на внутреннюю поверхность 10 нанесены, соответственно, покрытия 8 и 17, коэффициенты отражения которых равны, соответственно 0,999 и 0,90. На оставшейся площади внутренней поверхности 10, свободной от области усиления и покрытий 8 и 17, сформирована барьерная область 19. Толщина области втекания 9 была равна 23 мкм, длина наружной поверхности 73,8 мкм, а длина оптического резонатора L_ор равна 129 мкм. Указанные конструктивные изменения определили следующие параметры лазера 1 по примеру 4:
- плотность порогового тока j_пор равна 125 А/см², при этом
коэффициенты потерь:

-пороговый ток I_пор равен 0,861 мА,
- рабочий ток I_раб выбран равным 13,8 мА,
- выходная мощность лазерного излучения P равна 11,66 мВт,
- коэффициенты эффективностей: η_d= 0,7139, а η = 0,6693.
Данный лазер 1 генерирует в режиме одной продольной моды, при этом ее длина волны практически не зависит от величины тока накачки в широком диапазоне изменений рабочего тока накачки, а углы расходимости θ₁ и θ₂ одинаковы и равны 6,4 мрад (0,37 ).

Пример 5.

Основное отличие лазера 1 по данному примеру (фиг. 14, фиг. 15) от лазера 1 по примеру 1 состоит в том, что на внутренней поверхности 10 области втекания 9 размещено 32х30 областей усиления, соединенных по рабочему току последовательно-параллельно. Длина и ширина каждой области усиления равны соответственно 290 и 85 мкм. Они расположены в виде прямоугольной решетки, периоды их повторения вдоль и поперек длины L_овв области втекания 9, соответственно, равны 300 и 100мкм. Длина L_овв и ширина W_овв внутренней поверхности 10 области втекания 9, соответственно, равны 9600 и 3000 мкм, толщина области втекания 9, (см. (20)), равна 3214 мкм, длина L_ор оптического резонатора равна 10216 мкм, а коэффициенты отражения покрытий 8 и 17 на гранях 12-1 и 12-2 соответственно равны 0,999 и 0,32. Основные параметры для лазерных лучей из любой области усиления следующие:
- плотность порогового тока j_пор равна 182 А/см² при этом
- коэффициенты потерь: по причине большой площади отражателей (см. (8)) пренебрежимо мал и, следовательно, α_овп равно 23,47 см^-1;
- пороговый ток I_пор равен 43,7 мА,
- рабочий ток I_раб выбран равным 600 мА,
выходная мощность лазерного одномодового излучения P = 592,6 мВт, при этом
коэффициенты эффективностей: η_d= 0,8421, а η = 0,7808,
углы расходимости: θ₁= 9,0 мрад, а θ = 8,28 мрад.
30-ть областей усиления, входящих в каждый из 32 рядов решетки, расположенных поперек длины области втекания 9, электрически соединены между собой последовательно, а сами указанные ряды - параллельно. Последовательное соединение по току указанных областей усиления реализовано (см. фиг. 15 и фиг. 14) путем введения легированного (с концентрацией носителей 10¹⁸см^-3) подслоя 21 области втекания 9, барьерных областей двух типов 19и 19-1, с одинаковой шириной 15 мкм, и слоев металлизации 23 к омическим контактам 15, соединяющих омические контакты 15 таких двух соседних областей усиления, между которыми расположена барьерная область типа 19-1, граничащая (в отличие от барьерной области типа 19) с нелегированной частью 22 области втекания 9 (см.фиг.15). Указанные слои металлизации 23, обеспечивающие в данном примере 5 также параллельное соединение по току указанных 32 рядов областей усиления, выполнены в виде 16-ти полос шириной 180 мкм и длиной 9600 мкм.

Полный рабочий ток, подаваемый на данный лазер 1, равен 3,2 А при рабочем напряжении 48 В (по 1,6 В на каждую область усиления), а суммарная выходная мощность всех лазерных лучей равна 568,9 Вт.

Пример 6.

Основное отличие лазера 1 по данному примеру (фиг. 16, фиг. 19) от лазера 1 по примеру 1 состоит в том, что на внутренних поверхностях 10 32-х областей втекания 9 выполнены 32-е линейные последовательности областей усиления (линейки), каждая из которых содержит по 30-ть областей усиления, имеющих те же размеры и параметры, что и для лазера 1 по примеру 4. Область втекания 9, за исключением ее ширины, равной 750 мкм, имеет те же размеры и характеристики, что и для примера 4. С каждой из 4-х сторон области усиления по току разделены барьерными областями 19, а к контактному слою 14 выполнен известными способами автономный омический контакт 15. Период размещения областей в линейке равен 25 мкм, а шаг между линейками равен 135 мкм. Для независимой подачи рабочего тока в каждую область усиления к омическим контактам 15 выполнено вдоль их осей усиления 30-ть полос слоев металлизации 23, а к омическим контактам 16 каждой из 32-х областей втекания 9 сформировано 32-е полосы слоев металлизации 24, направленных в поперечном направлении к оптическим осям усиления областей усиления. При подведении электрического сигнала к произвольному сочетанию двух взаимно перпендикулярных полос металлизации 23 и 24 генерация лазерного луча возникает с участием той области усиления, которая находится между перекрещенными полосами 23 и 24 выбранных полос металлизации. Каждый лазерный луч (а их всего 960) имеет те же параметры, что и лазер 1 по примеру 4.

Таким образом, в сравнении с устройством прототипа [5] многократно увеличена выходная мощность лазерного излучения, многократно снижены пороговые плотности токов и уменьшены углы расходимости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, увеличены эффективные длины оптических резонаторов, достигнуты, близкие к предельным значения эффективностей (в том числе дифференциальной), существенно снижена зависимость генерируемой длины волны лазерного излучения от амплитуды тока накачки. Предложены также высокоэффективные лазеры с выводом лазерных лучей в направлении, перпендикулярном к плоскости активного слоя, а также многолучевые лазеры, в том числе с их автономным включением.

Источники информации, использованные при составлении заявки
1. S. S. Ou, I.I. Yang et al., Electronics Letters (1992), v.28, N 25, pp.2345-2346,
2. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp.44-45,393-417,
3. IEEE J. of Quantum Electronics (1993), v.29, N 6, pp.2052-2057,
4. Electronics Letters (1992), v.28, N 21, pp.3011-3012,
5. Патент США 4063189, 1977, H 01 S 3/19, 331/94.5 H.

6. D. R. Scifres, W Streifer, and R.D. Burnham, Applied Physics Letters (1976), v.29, N 1, pp.23-25,
7. J.К. Buttler, Y. Kressel, and 1. Ladany, IEEE Journ. Quant. Electron. (1975), v. QE-11, p.402, Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic integrated circuits, edited by Y.Suematsu and A.R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp.58-65,
8. А. Мэйтланд, M. Данн. Введение в физику лазеров, М., "Наука", с. 102-118,
9. Т. M. CocKerill et al., Appl. Phys. Lett. (1991), v.59, pp.2694-2696
10. M. Osinski, J. Buus, IEEE Journ. of Quant. Electronics, v. 23,1987, pp.9-29,
11. T.L. Koch, J.E. Bowers. Electronics Letters, v. 20, 1984, pp.1038-1039,
12. H. C.Huang et al., Journ. Appl. Phys. (1990), v.67, N 3, pp. 1497-1503
13 B.Weigl, etal., Electronics Letters, 12th Sept. 1996, v.32, N 19, pp. 1784-1786,
14. Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits, edited by Y.Suematsu and A. R. Adams, "Chapman-Hill", London, 1994, pp.344, 518-519,
15. J.Chilwall, I.Hodkinson, Journ. Opt. Soc. Amer., A (1984), v.1, N 7, pp.742-753,
16. D.Z. Garbuzov et al., IEEE Journ. of Quant. Electr. (1997), v.33, N 12, pp.2266-2276.

Использование: квантовая электронная техника, а именно эффективные, высокомощные и компактные полупроводниковые инжекционные источники излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Сущность изобретения: предложена оригинальная конструкция оптического резонатора, в которой в объем среды оптического резонатора включен не только активный объем области усиления с вытекающим усилением, но и пассивный объем области втекания, сформированные с соответствующим образом выполненными составами, толщинами, числом слоев лазерной гетероструктуры, конфигурациями оптических граней области втекания, омическими контактами и слоями металлизации, что позволило практически разграничить область формирования мод лазерного излучения и область инжекции и стимулированной рекомбинации неравновесных носителей. Предложены также высокоэффективные лазеры с выводом лазерного излучения в направлении, перпендикулярном к плоскости активного слоя, а также лазеры с множеством лазерных лучей, в том числе с их автономным включением. Техническим результатом изобретения является снижение пороговой плотности тока, увеличение дифференциальной эффективности, уменьшение астигматизма и угла расходимости выходного излучения в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, улучшение спектральных характеристик лазерного излучения, расширение диапазона направлений вывода лазерного излучения по отношению к продольной оси усиления в активном слое, а также увеличение эффективной длины оптического резонатора, что в совокупности приводит к повышению мощности, эффективности, ресурса и надежности работы инжекционного лазера, в том числе многолучевого при упрощении технологии его изготовления. 34 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Инжекционный лазер, включающий подложку и лазерную гетероструктуру, содержащую активный слой с показателем преломления, равным n_a, шириной запрещенной зоны, равной Е_а, эВ, и два ограничительных слоя, помещенные соответственно на первой и противоположной второй поверхностях активного слоя, область усиления шириной W_oy, мкм, и длиной L_оу вдоль продольной оси усиления, ограниченная торцевыми поверхностями, отражатели, оптический резонатор, омические контакты, слои металлизации, покрытия и, по крайней мере, с одной стороны активного слоя дополнительный слой, названный областью втекания излучения, имеющей показатель преломления n_ов, коэффициент оптических потерь лазерного излучения α_ов, см^-1, толщину d_ов, мкм, ширину W_ов, мкм, длину вдоль оси усиления области усиления, определяемую через длину L_овв, мкм, ее внутренней поверхности на границе с ограничительным слоем и через длину L_овн, мкм, ее наружной поверхности с противоположной стороны, и ограниченной оптическими гранями, направленными под углами наклона ψ относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси усиления области усиления, названной перпендикулярной плоскостью, с вершиной угла наклона ψ, расположенной на внутренней поверхности, причем в работающем устройстве угол, образованный в области втекания излучения нормалью фронта лазерного вытекающего излучения с плоскостью активного слоя, обозначен углом вытекания ϕ и равен arccos (n_эфф/n_ов), а условие вытекания излучения из активного слоя в область втекания излучения выполнено при превышении показателя преломления n_ов над эффективным показателем преломления n_эфф для совокупности, состоящей из лазерной гетероструктуры и присоединенной к ней области втекания излучения, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть среды оптического резонатора выполнена, по крайней мере, из части области втекания и, по крайней мере, из части области усиления, при этом, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен с коэффициентом отражения, выбранным из диапазона более нуля и менее единицы, активный слой сформирован, по крайней мере, из одного подслоя, ограничительные слои сформированы соответственно из ограничительных подслоев I_i и II_j, где i = 1,2....к и j = 1,2,...m, определены как целые числа, означающие порядковый номер ограничительных подслоев, исчисляемый от активного слоя соответственно с показателями преломления n_Ii и n_IIj, меньшими n_a, и с шириной запрещенных зон E_Ii, E_IIj, в каждом ограничительном слое выполнено, по крайней мере, по одному ограничительному подслою, дополнительно введены барьерные области, область усиления выполнена, по крайней мере, одна, область втекания прозрачна для лазерного излучения, выполнена, по крайней мере, одна и, по крайней мере, из одной части, по крайней мере, один из углов наклона ψ по абсолютной величине более нуля, причем угол наклона ψ условно назван положительным при образовании острого угла оптической грани с активным слоем и отрицательным при образовании тупого угла с последним, в работающем устройстве область усиления охарактеризована дополнительно введенными коэффициентом G_оу, см^-1, полного усиления излучения, распространяемого в области усиления, коэффициентом усиления G_ви, см^-1, вытекающего излучения из активного слоя в область втекания и коэффициентом суммарных потерь α_оуп, см^-1, для распространяемого в ней излучения, а область втекания охарактеризована введенным коэффициентом пороговых потерь α_овп, см^-1, при этом в работающем устройстве разность коэффициентов усиления G_оу, см^-1, и G_ви, см^-1, выбрана менее величины коэффициента α_оуп, см^-1, величина коэффициента G_ви, см^-1, выбрана более величины коэффициента α_овп, см^-1, а условие вытекания излучения из активного слоя в область втекания излучения определено соотношениями

причем n_эфф.min больше n_nin,
где n_эфф.min - минимальное значение n_эфф из всех возможных n_эфф для представляющих практическую ценность множества лазерных гетероструктур с областями втекания излучения;
n_min - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj. 2. Инжекционный лазер по п.1, отличающийся тем, что область усиления выбрана полосковой. 3. Инжекционный лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что длина L_овв внутренней поверхности и ширина W_ов области втекания излучения выполнены, соответственно, не менее длины L_оу и ширины W_оу области усиления. 4. Инжекционный лазер по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что толщина области втекания излучения выбрана из диапазона 5 - 50000 мкм. 5. Инжекционный лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что область вытекания излучения выполнена из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности для длины волны λ, мкм, лазерного излучения работающего устройства. 6. Инжекционный лазер по п.5, отличающийся тем, что область втекания излучения выполнена из полупроводника, имеющего ширину запрещенной зоны Е_ов, эВ, превышающую Е_а, эВ, более, чем на 0,09 эВ. 7. Инжекционный лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что область втекания выполнена в виде подложки. 8. Инжекционный лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что область втекания излучения выполнена электропроводной. 9. Инжекционный лазер по п.8, отличающийся тем, что омический контакт сформирован к поверхности области втекания излучения. 10. Инжекционный лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что часть объема области втекания излучения, граничащая с лазерной гетероструктурой, толщиной не более W_оу, мкм, электропроводна, а остальной объем выполнен из материала, имеющего коэффициент оптических потерь α_ов не более 0,1 см^-1. 11. Инжекционный лазер по п.10, отличающийся тем, что омический контакт выполнен к электропроводной части области втекания излучения. 12. Инжекционный лазер по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что область втекания излучения выполнена имеющей коэффициент оптических потерь α_ов не более 0,1 см^-1. 13. Инжекционный лазер по пп.8, 10, 12, отличающийся тем, что омический контакт со стороны области втекания излучения выполнен к одному из электропроводных ограничительных подслоев, расположенного между активным слоем и областью втекания излучения. 14. Инжекционный лазер по п.13, отличающийся тем, что омический контакт выполнен к электропроводному подслою, имеющему наименьшее значение ширины запрещенной зоны. 15. Инжекционный лазер 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, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из ограничительных подслоев выполнен с показателем преломления не менее n_ов. 16. Инжекционный лазер 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, отличающийся тем, что торцевая поверхность области усиления, по крайней мере, с одной стороны области усиления выполнена с тем же углом наклона и тем же коэффициентом отражения, что и смежная с ней оптическая грань области втекания. 17. Инжекционный лазер 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, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания, выполненная в виде отражателя оптического резонатора, сформирована с положительным углом наклона ψ, равным углу вытекания ϕ.
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 13, или 14, или 15, или 16, или 17, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания сформирована с отрицательным углом наклона ψ, равным (π/4)-(ϕ/2), и, по крайней мере, часть наружной поверхности области втекания, по крайней мере, в месте проекции на нее сформированной оптической грани области втекания выполнена в виде отражателя оптического резонатора. 19. Инжекционный лазер 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, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна оптическая грань области втекания сформирована с положительным углом наклона ψ, равным (π/4)+(ϕ/2), и, по крайней мере, часть поверхности устройства, противолежащей области втекания, по крайней мере, в месте проекции на нее сформированной оптической грани области втекания выполнена в виде отражателя оптического резонатора. 20. Инжекционный лазер по пп.17, 18 или 19, отличающийся тем, что другая оптическая грань области втекания сформирована с углом наклона ψ, равным нулю. 21. Инжекционный лазер по п.20, отличающийся тем, что на указанной оптической грани области втекания выполнено отражающее покрытие. 22. Инжекционный лазер по п.17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде внешнего отражателя. 23. Инжекционный лазер по п.22, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде плоского зеркала. 24. Инжекционный лазер по п.22, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде цилиндрического зеркала. 25. Инжекционный лазер по п.22, отличающийся тем, что по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде сферического зеркала. 26. Инжекционный лазер по п.22, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде дифракционной решетки. 27. Инжекционный лазер 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 22, или 23, или 24, или 25, или 26, отличающийся тем, что, по крайней мере, две области усиления с одинаковыми углами вытекания ϕ сформированы на внутренней поверхности, по крайней мере, одной области втекания. 28. Инжекционный лазер по п.27, отличающийся тем, что к каждой области усиления с внешней стороны лазерной гетероструктуры выполнен автономный омический контакт. 29. Инжекционный лазер по п.16, или 27, или 28, отличающийся тем, что области усиления сформированы, по крайней мере, из двух последовательностей областей усиления, в каждой из которых размещено, по крайней мере, две области усиления, причем продольные оси усиления каждой области усиления в каждой последовательности параллельны между собой и помещены в плоскости активного слоя под прямым углом к оптическим граням единой для каждой последовательности области втекания. 30. Инжекционный лазер по п.29, отличающийся тем, что со стороны области втекания, по крайней мере, на части наружных поверхностей указанных единых областей втекания омические контакты и слои металлизации к ним выполнены в виде полос, по крайней мере, слоев металлизации для каждой указанной последовательности областей усиления. 31. Инжекционный лазер по п.29, отличающийся тем, что со стороны размещения лазерной гетероструктуры слои металлизации к автономным омическим контактам выполнены в виде изолированных полос, размещенных параллельно осям усиления областей усиления. 32. Инжекционный лазер по п.27 или 28, отличающийся тем, что области усиления сформированы, по крайней мере, вдоль одной линии, параллельной продольным осям усиления областей усиления. 33. Инжекционный лазер по п.32, отличающийся тем, что области усиления сформированы с шагом между началами областей усиления, равным 2d_ов/tgϕ, при этом наружная поверхность, по крайней мере, в местах проекций на нее под углом вытекания ϕ областей усиления выполнена оптически отражающей. 34. Инжекционный лазер 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 22, или 23, или 24, или 25, или 26, отличающийся тем, что, по крайней мере, по одной области усиления, имеющих одинаковые углы вытекания ϕ, сформировано на противоположных поверхностях области втекания излучения вдоль двух линий, параллельных между собой и к продольным осям усиления областей усиления, при кратчайшем расстоянии между началами областей усиления на противоположных сторонах области втекания, равном d_ов/sinϕ.
35. Инжекционный лазер по п.10, или 11, или 12, или 27, или 28, или 29, или 32, или 33, или 34, отличающийся тем, что по крайней мере, две рядом размещенные области усиления электрически разделены по току вплоть до непроводящей части объема области втекания, а омические контакты указанных областей усиления электрически соединены по току слоем металлизации.