ГЕТЕРОСТРУКТУРА, ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01S5/32 

Область техники

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

Предшествующий уровень техники

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

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

Наиболее близкой по решаемой технической задаче является предложенная [Патент №2197049 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32] гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, содержащая по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, характеризуемая отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. При этом в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные по крайней мере из одного подслоя. Область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем. В ней сформировано два дополнительных слоя, а именно: примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя. Далее в области втекания расположен слой втекания. Отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта является числом много меньшим единицы.

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

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

Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является предложенный инжекционный лазер-прототип [Патент №2197048 RU, Швейкин В.И., Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32], включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Такая гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Кроме гетероструктуры лазер-прототип содержит также оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя. В гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем. В ней сформировано два дополнительных слоя, а именно: примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя. Далее в области втекания расположен слой втекания, при этом дополнительной средой оптического резонатора является по крайней мере часть отражающего слоя. Отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы. При работе инжекционного лазера для заданных значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры, не менее ее величины, необходимой для поддержания порога лазерной генерации.

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

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

Наиболее близким по решаемой технической задаче является полупроводниковый усилительный элемент-прототип, предложенный в [Патент №2197047 RU, Швейкин В.И, Россия, 18.02.2002, 7 Н 01 S 5/32]. ПУЭ включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, и прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну и по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Такая гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. Кроме гетероструктуры ПУЭ-прототип также включает оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. При работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя. Причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющие показатели преломления меньшие, чем n_эф и сформированные по крайней мере из одного подслоя. Область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем. В ней сформировано два дополнительных слоя, а именно: примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя. Далее в области втекания расположен слой втекания. Отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. При работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой усиливаемого усиления излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, а интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая составами, толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

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

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

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

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

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

Раскрытие изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, характеризуемую отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а именно: отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащая по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, включающую по крайней мере один слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_ВТ и состоящий по крайней мере из одного подслоя, а также по крайней мере один локализующий слой области втекания, состоящий по крайней мере из одного подслоя. ПЭУ также включает оптические грани, омические контакты и по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. Коэффициенты отражений просветляющих покрытий на оптических гранях, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых величина результирующего усиления излучения в активном слое во всем диапазоне рабочих токов не превышает величину указанного усиления, приводящего к самовозбуждению работающего полупроводникового усилительного элемента, в котором средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя и по крайней мере часть отражающего слоя на границе со слоем втекания. Причем в область втекания дополнительно введен основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою, с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломения, меньший показателя преломления основного настроечного слоя.

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

Процесс вытекания в ПУЭ определяется составом и толщинами слоев ГС и контролируется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. В области рабочих токов отношение n_эф к n_ВТ определено из интервала примерно от 1,01 до примерно 0,99.

Чувствительность ПУЭ к входному сигналу, а также уровень шумов, коэффициент усиления, мощность излучения для заданного рабочего тока и при выбранной величине отношения n_эф/n_ВТ в определяющей степени зависят от величины результирующего усиления излучения в активном слое. Как показано расчетами в предложенном ПУЭ, при выбранном отношении n_эф/n_ВТ именно расположением, а также выбором толщин и показателей преломления основного настроечного слоя (или его подслоев) достигается при определенном рабочем токе наибольшая величина указанного выше результирующего усиления. Таким образом, введенные дополнительно в предложенную ГС оригинально расположенные основные настроечные слои дают возможность решить поставленную техническую задачу - существенно улучшить основные параметры ПУЭ: чувствительность к входному сигналу, уровень шумов, коэффициент усиления, мощность излучения, а также увеличить размеры входной и выходной апертур, снизить поляризационную чувствительность и угловую расходимость излучения в дальнем поле.

Для стабилизации режима усиления ПУЭ коэффициенты отражений просветляющих покрытий на оптических гранях, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых величина результирующего усиления излучения в активном слое при рабочем токе не превышает величину указанного усиления, приводящего к самовозбуждению работающего полупроводникового усилительного элемента.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для повышения чувствительности к входному сигналу и увеличения коэффициента усиления предложено вводить в ГС по крайней мере два активных слоя, между которыми размещают введенный основной центральный настроечный слой или по крайней мере один из его подслоев.

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

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

Для улучшения температурных зависимостей параметров ПУЭ локализующий слой выполняют с толщиной, выбранной из диапазона примерно от 0,01 мкм до примерно 0,30 мкм.

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

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

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

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

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

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

С целью получения поляризационной нечувствительности ПУЭ слой втекания области втекания выполняют с толщиной, примерно равной ширине введенной полосковой (или мезаполосковой) области протекания тока.

В предложенном ПУЭ дополнительное снижение требований к просветляющим покрытиям может быть получено, если полосковую область протекания тока выполнить наклонной под соответствующим углом наклона к плоскости оптической грани.

Для отдельных модификаций предложенного ПУЭ входную и выходную апертуры формируют согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае для ввода входного сигнала и вывода усиленного излучения противоположные оптические грани ПУЭ с нанесенными на них просветляющими покрытиями оптически соединяют с оптическими волокнами не только с использованием оптических соединительных элементов, но и напрямую в непосредственном контакте с оптическими волокнами. Снижение потерь входного излучения при его вводе приводит к уменьшению коэфициента шума ПУЭ.

Сущность предложенного в настоящем изобретении нового неочевидного ПУЭ с вытекающим излучением, состоит в модернизации области втекания и активного слоя гетероструктуры, при которой в состав области втекания введены дополнительные, оригинально расположенные основные настроечные слои, примыкающие к активному слою, а также предложенные другие оригинальные характеристики (расположение, составы, толщины, уровни легирования) основных и вспомогательных настроечных слоев, локализующих слоев, слоев втекания и их подслоев, отражательных слоев и их подслоев, что дало возможность существенно улучшить важнейшие характеристики ПУЭ - повысить чувствительность к входноиу сигналу, эффективность, мощность излучения, снизить угловую расходимость усиленного излучения, уменьшить оптические потери изучения на входе и выходе, снизить уровень шумов, повысить ресурс работы и надежность при упрощении технологии юстировки.

Поставленная техническая задача решается также тем, что предложен полупроводниковый оптический усилитель, включающий оптически соединенные задающий источник входного излучения и полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, характеризуемую отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания, а именно: отношение n_эф к n_ВТ определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащая по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, включающую по крайней мере один слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_ВТ и состоящий по крайней мере из одного подслоя, а также по крайней мере один локализующий слой области втекания, состоящий по крайней мере из одного подслоя. ПУЭ, входящий в ПОУ, также включает оптические грани, омические контакты и по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. Коэффициенты отражений просветляющих покрытий на оптических гранях, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых величина результирующего усиления излучения в активном слое во всем диапазоне рабочих токов не превышает величину указанного усиления, приводящего к самовозбуждению работающего ПУЭ, в котором средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя и по крайней мере часть отражающего слоя на границе со слоем втекания. Причем в область втекания дополнительно введен основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_ВТ слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою, с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломения, меньший показателя преломления основного настроечного слоя.

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

Процесс вытекания определяется составом и толщинами слоев ГС и контролируется отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_ВТ слоя втекания. В рабочем диапазоне токов это отношение n_эф к n_ВТ определено из интервала от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, а именно примерно от 1,01 до примерно 0,99.

Коэффициент усиления, мощность излучения, а также уровень шумов, чувствительность предложенного ПОУ к входному сигналу при выбранной величине отношения n_эф/n_ВТ в определяющей степени зависят от величины результирующего усиления излучения в активном слое ГС ПУЭ для заданного рабочего тока. Как показано расчетами, в предложенном ПОУ именно расположением, а также выбором толщин и показателей преломления основного настроечного слоя (или его подслоев) достигается наибольшая величина указанного выше результирующего усиления. Таким образом, введенные дополнительно в предложенную ГС оригинально расположенные основные настроечные слои дают возможность решить поставленную техническую задачу, в первую очередь существенно улучшить указанные выше параметры ПОУ, а также увеличить размеры входной и выходной апертур, снизить поляризационную чувствительность и уменьшить угловую расходимость излучения в дальнем поле.

Для стабилизации режима усиления ПОУ коэффициенты отражений просветляющих покрытий на оптических гранях ПУЭ, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых величина результирующего усиления излучения в активном слое при рабочем токе не превышает величину указанного усиления, приводящего к самовозбуждению работающего ПОУ.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для повышения чувствительности к входному сигналу и увеличения коэффициента усиления ПОУ предложено вводить в ГС ПУЭ по крайней мере два активных слоя, между которыми размещают введенный основной центральный настроечный слой или по крайней мере один из его подслоев.

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

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

Для улучшения температурных зависимостей параметров ПОУ локализующий слой ГС ПУЭ выполняют с толщиной, выбранной из диапазона примерно от 0,01 мкм до примерно 0,30 мкм.

Для снижения коэффициентов шума и уменьшения угловой расходимости усиленного излучения ПОУ толщины слоев втекания области втекания ГС ПУЭ выбирают из диапазона примерно от 1,0 мкм до примерно 10 мкм и более, а также по крайней мере один из подслоев отражающего слоя, преимущественно примыкающий к слою втекания, выполняют с показателем преломления близким к показателю преломления слоя втекания.

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

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

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

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

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

С целью получения поляризационной нечувствительности ПОУ слой втекания области втекания ГС ПУЭ выполняют толщиной, примерно равной ширине введенной полосковой области протекания тока.

В предложенном ПОУ для дополнительного снижения требований к просветляющим покрытиям полосковую (или мезаполосковую) область протекания тока ПУЭ выполняют наклонной под соответствующим углом наклона к плоскости оптической грани.

Для отдельных модификаций предложенного ПОУ входную и выходную апертуры ПУЭ формируют согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае для ввода входного сигнала и вывода усиленного излучения противоположные оптические грани ПУЭ с нанесенными на них просветляющими покрытиями оптически соединяют с оптическими волокнами не только с применением известных оптических соединительных элементов, но и напрямую в непосредственном контакте с ПУЭ 40. Снижение потерь входного излучения при его вводе в волокно приводит к увеличению эффективности ПОУ.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для получения на выходе ПОУ усиленного излучения высокого качества задающий источник входного излучения выполняют в виде инжекционного лазера. Для увеличения эффективности и мощности излучения ПОУ задающий инжекционный лазер предпочтительно выбирают в виде предложенного в настоящем изобретении Лазера, рассмотренного ранее. Для этой модификации ПОУ эффективное оптическое соединение задающего Лазера и ПУЭ можно получить при непосредственном контакте между ними без использования оптических соединительных элементов. При этом предпочтительна модификация ПОУ, при которой задающий Лазер и ПУЭ изготавливают из одной и той же гетероструктуры. Возможны также модификации мощных ПОУ, в которых ширину введенной полосковой области протекания тока ПУЭ выбирают больше ширины введенной полосковой области задающего Лазера, или когда ширина полосковой области протекания тока ПУЭ выполнена расширяемой.

Следует отметить, что наличие вытекающего излучения в задающем Лазере и ПУЭ, входящих в ПОУ, приводит к значительному снижению внутренних оптических потерь (приводящих к увеличению эффективности ПУЭ), и к снижению нелинейных искажений, способствующих пространственной нестабильности усиливаемого излучения и приводящих к ограничению выходной мощности в мощных ПОУ. Это обусловлено тем, что в предложенном ПОУ основная доля усиливаемого излучения (примерно 99,9% и более) распространяется по прозрачному слою втекания (линейная среда) и очень малая часть потока (примерно 0,1% и менее) - по нелинейной активной среде. Это определяет не только получение больших мощностей излучения, но и уменьшение ширины спектральной линии излучения, уменьшение ее частотного сдвига, улучшение высокочастотных и высокоскоростных модуляционных характеристик ПОУ.

Сущность предложенного в настоящем изобретении нового неочевидного ПОУ и входящих в его состав задающего источника входного излучения (задающего Лазера) и ПУЭ, состоит в модернизации области втекания и активного слоя гетероструктур задающего Лазера и ПУЭ, при которой в состав области втекания введены дополнительные, оригинально расположенные основные настроечные слои, примыкающие к активному слою, а также предложенные другие оригинальные характеристики (расположение, составы, толщины, уровни легирования) основных и вспомогательных настроечных слоев, локализующих слоев, слоев втекания и их подслоев, отражательных слоев и их подслоев, что дало возможность существенно улучшить важнейшие характеристики ПОУ - эффективность, мощность, угловую расходимость усиленного излучения, оптические потери на входе и выходе, ресурс работы и надежность при упрощении технологии юстировки.

Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении ГС, Лазеров, ПУЭ, ПОУ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость". Основное отличие при их изготовлении состоит в других составах, толщинах и расположении выращиваемых слоев лазерной гетероструктуры.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-10.

На Фиг.1 схематически изображено сечение предлагаемой симметричной ГС с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя одинаковыми слоями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На Фиг.2 схематически изображено сечение предлагаемой симметричной ГС с одним активным слоем, двумя основными и двумя вспомогательными настроечными слоями.

На Фиг.3 схематически изображено сечение предлагаемой асимметричной ГС с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя слоями втекания разной толщины, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На Фиг.4 схематически изображено сечение предлагаемой асимметричной ГС с двумя активными слоями, двумя основными настроечными слоями и одним основным центральным настроечным слоем.

На Фиг.5 схематически изображено продольное сечение предлагаемого симметричного Лазера с отражающими покрытиями на оптических гранях, с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя одинаковыми слоями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На Фиг.6 схематически изображено продольное сечение предлагаемого симметричного Лазера с отражающими покрытиями на оптических гранях, с одним активным слоем, двумя основными и двумя вспомогательными настроечными слоями.

На Фиг.7 схематически изображено продольное сечение предлагаемого асимметричного Лазера с отражающими покрытиями на на оптических гранях, с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя слоями втекания разной толщины, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На Фиг.8 схематически изображено продольное сечение предлагаемого асимметричного Лазера с отражающими покрытиями на оптических гранях, с двумя активными слоями, двумя основными настроечными слоями и одним основным центральным настроечным слоем.

На Фиг.9 схематически изображено продольное сечение ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с присоединенными к ним двумя оптическими волокнами, с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя одинаковыми слоями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На Фиг.10 схематически изображено продольное сечение ПОУ с автономно расположенными на одной оптической оси задающим Лазером с отражающими покрытиями на оптических гранях и ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях, выполненных из одной и той же симметричной ГС с одним активным слоем, двумя основными настроечными слоями и двумя одинаковыми слоями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций ГС, Лазера, ПУЭ, ПОУ не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, в том числе в известных диапазонах длин волн, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Предложенная гетероструктура 1 (см. Фиг.1) содержит один активный слой 2, к которому с обеих сторон примыкают две области втекания 3 и 4. К областям втекания 3 и 4 с обеих внешних по отношению к активному слою 2 сторон примыкают два отражающих слоя 5 и 6. Отражающий слой 6 расположен со стороны подложки 7 из n-типа GaAs. Области втекания 3 и 4 содержат по одному основному настроечному слою 8 и 9, примыкающему к активному слою 2 с обеих его сторон, по одному локализующему слою 10 и 11, примыкающему, соответственно, к основным настроечным слоям 8 и 9 и по одному слою втекания 12 и 13, примыкающему, соответственно, к настроечным слоям 10 и 11. Активный слой 2 выполнен из InGaAs толщиной 0,008 мкм. Длина волны лазерного излучения в такой гетероструктуре 980 нм. Основные настроечные слои 8 и 9 имели одинаковые толщины по 0,04 мкм и были выращены из GaAs. Локализующие слои 10 и 11 имели одинаковые составы из Al_0,38 Ga_0,62As и одинаковые толщины - по 0.04 мкм. Слои втекания 12 и 13 имели одинаковые толщины по 4,0 мкм и были выращены из Al_0,19Ga_0,81As. Оба отражающих слоя 5 и 6 состояли из двух подслоев одинаковых составов и толщин. Первые подслои 14, 15 толщиной по 0,5 мкм, примыкающие к соответствующим слоям втекания, были выращены из Al_0,20Ga_0,80As - состава близкого к составу слоя втекания, вторые подслои 16, 17 толщиной по 0,6 мкм - из Al_0,25Ga_0,75As. Отметим, что здесь и далее каждому составу полупроводниковых слоев при определенной длине волны излучения соответствует известный показатель преломления. При выращивании ГС1 активный слой 2 и основные настроечные слои 8 и 9 не легировались, локализующие слои 10 (p-типа) и 11 (n-типа) легировались известными примесями, соответственно до 6·10¹⁷ см^-3 и 3·10¹⁷ см^-3, слои втекания 12, 13 и первые подслои 14, 16 отражающих слоев 5 и 6, соответственно, p-типа и n-типа, легировались до 1·10¹⁷ см^-3, а вторые подслои 15, 17 отражающих слоев 5 и 6, соответственно, p-типа и n-типа - до 2·10¹⁸ см^-3.

Выбранные составы и толщины слоев ГС1 обеспечили, соответственно, при плотности тока 0,3 кА/см² и 10 кА/см² расчетные значения отношениий n_эф к n_ВТ равными 1,000006 и 0,99964. Результирующее усиление в активном слое при плотности тока 0,35 кА/см² составило 7,8 см^-1. Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 10 кА/см² равен 6,0° (здесь и далее по уровню 0,5).

Следующая модификация ГС1 отличалась от предыдущей тем, что в ней толщины слоев втекания 12 и 13 были одинаковые и равны по 2,5 мкм. При этом расчетные значения отношений n_эф к n_ВТ, соответственно, при плотности тока 0,3 кА/см² и 10 кА/см² были равны 0,99992 и 0,99933. Результирующее усиление при плотности тока 0,3 кА/см² составило 10,0 см^-1. Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 10 кА/см² равен 9,0°.

Следующая модификация ГС1 (см. Фиг.2) отличалась от модификации, схематически изображенной на Фиг.1 тем, что в ней слои втекания 12 и 13 были выращены из Al_0,05Ga_0,95As и при этом в область втекания наряду с основными настроечными слоями 8 и 9 введены дополнительно два вспомогательных настроечных слоя 18 и 19, выполненные из GaAs и расположенные по обе стороны от активного слоя между локализующими слоями 10 и 11 и слоями втекания 12 и 13. Полученная ГС в связи с низким содержанием AI в слоях 12, 13 и 5, 6 имеет сниженные омические, тепловые сопротивления и упругие механические напряжения.

Следующая модификация ГС1 (см. Фиг.3) отличалась от модификации, схематически изображенной на Фиг.1 тем, что в ней толщины слоев втекания 12 и 13, соответственно, были равны 0,5 мкм и 7,0 мкм, а толщина основного настроечного слоя 8 равна 0,06 мкм. Для этой модификации ГС1, соответственно при плотности тока 0,3 кА/см² и 10 кА/см², расчетные значения отношений n_эф к n_ВТ были равны 1,00004 и 0,99984. Результирующее усиление при плотности тока 0,3 кА/см² составило 10,2 см^-1. Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 10 кА/см² равен 8,1°.

Следующая модификация ГС1 (см. Фиг.4) отличалась от предыдущей тем, что в ней сформировано два одинаковых активных слоя 2, введен расположенный между активными слоями основной центральный настроечный слой 20 из GaAs толщиной 0,012 мкм, а толщина основного настроечного слоя 8 была равна 0,03 мкм. Для этой модификации ГС1 при плотности тока 0,3 кА/см² и 10 кА/см² расчетные значения отношений n_эф к n_ВТ соответственно были равны 1,00002 и 0,99984. Результирующее усиление при плотности тока 0,3 кА/см² составило 8,9 см^-1. Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 10 кА/см² равен 8,1°.

Следующая модификация ГС1 отличалась от модификации, схематически изображенной на Фиг.4, тем, что основной центральный настроечный слой 20 состоял из двух тонких (толщиной по 0,005 мкм) подслоев n-типа и p-типа, легированных соответственно теллуром и углеродом до концентраций 5·10¹⁹ см^-3. Подслой n-типа размещен со стороны отражающего слоя p-типа, а подслой p-типа - со стороны отражающего слоя n-типа и подложки n-типа.

Следующая модификация ГС1 отличалась от модификации, схематически изображенной на Фиг.1, тем, что в ней слои втекания 12 и 13 выполнены такого же состава (и значит с тем же показателем преломления), что и локализующие слои 9 и 10, а именно из Al_0,38Ga_0,62As, а отражающие слои 5, 6 (без подслоев) имели состав - Al_0,45Ga_0,55As. Данная модификация ГС в сравнении с предыдущими содержит меньшее количество слоев, однако при этом она характеризуется увеличенными значения омических сопротивлений, тепловых сопротивлений и упругих механических напряжений.

Предложенный Лазер 30 (см. Фиг.5) был выполнен с использованием модификации симметричной ГС1, изображенной на Фиг.1. На подложку 7 n-типа и на контактный слой p-типа, сформированный с противоположной стороны (не указан), наносили слои металлизации (не указаны). Длина оптического резонатора L_рез выбрана равной 2000 мкм. На сколотые грани 31 нанесены отражающие покрытия 32 и 33 соответственно с коэффициентами отражений R₁ равным 99% и R₂ равным 5%. Полосковые области протекания тока имели ширину мезаполоски, равную 10 мкм. Расчетная пороговая плотность тока j_пор равна 350 А/см², а дифференциальная эффективность η_d примерно 88%. При всех значениях надпорогового тока, вплоть до 20 кА/см², результирующее усиление в активном слое больше, чем при j_пор. Угол вытекания ϕ при этом меняется от 0° до 1,65°, что обеспечивает одномодовый (в вертикальной плоскости) режим работы Лазера 30 в интервале от 0,35 кА/см² до 20 кА/см². Известный расчетный коэффициент локализации Г, определяющий долю лазерного излучения, распространяющегося в активном слое 2, при плотности тока 10 кА/см² равен 3·10^-4. Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости снижается от 7,8° (при плотности тока 0,35 кА/см²) до 6,0° (при 10 кА/см²). Размер излучающей площадки по уровню 0,13 на выходной оптической грани резонатора в вертикальной плоскости изменяется от 5,7 мкм (при 0,35 кА/см²) до 8,0 мкм (при 10 кА/см²).

Предложенный Лазер 30 (см. Фиг.6) был выполнен с использованием модификации симметричной ГС1, изображенной на Фиг.2, в которой слои втекания 12 и 13, а также первые подслои 14 и 16 отражающих слоев 5, 6 были выполнены с низким содержанием AI соответственно из Al_0,05Ga_0,85As и из Al_0,06Ga_0,86As. При этом вспомогательные настроечные слои 18 и 19 были выполнены из GaAs с одинаковыми толщинами, равными 0,24 мкм. Эта модификация Лазера 30 имеет увеличенную эффективность, мощность и надежность работы.

Предложенный Лазер 30 (см. Фиг.7) был выполнен с использованием модификации асимметричной ГС1, изображенной на Фиг.3, в которой одинаковые по составу слои втекания 12 и 13 имели толщины соответственно 0,5 и 7,0 мкм. Подбором толщины основных настроечных слоев 8 и 9 достигается пороговая плотность тока 0,3 кА/см². Расчетный угол расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости сначала снижается от 7,5° (при плотности тока 0,3 кА/см²) до 7,2° (при 3 кА/см²), а затем возрастает до 8,1° (при 10 кА/см²). При этом размер излучающей площадки (по уровню 0,13) на выходной оптической грани резонатора в вертикальной плоскости сначала увеличивается от 4,6 мкм до 7,2 мкм, а затем уменьшается до 6,0 мкм.

Следующая модификация Лазера 30 отличалась от предыдущей тем, что в ней слои втекания 12 и 13 выполнены такого же состава, что и локализующие слои 9 и 10, а именно из Al_0,38Ga_0,62As. Отражающие слои 5, 6 (без подслоев) выполнены из Al_0,45Ga_0,55As. Данная модификация Лазера 30 в сравнении с предыдущими содержит меньшее количество слоев ГС.

Предложенный Лазер 30 (см. Фиг.8) был выполнен с использованием модификации асимметричной ГС1, изображенной на Фиг.4, в которой выполнено два одинаковых активных слоя 2, а между ними размещен основной центральный настроечный слой 20 толщиной 0,012 мкм. В этой модификации Лазера 30 пороговая плотность тока снижена до 0,25 кА/см².

Следующая модификация Лазера 30 отличалась от предыдущей тем, что основной центральный настроечный слой 20 состоял из двух подслоев p-типа и n-типа толщиной по 0,005 мкм легированных соответственно углеродом и кремнием с одинаковыми концентрациями носителей тока 5·10¹⁹ см^-3. При работе Лазера 30 такие подслои обеспечивают туннельное протекание тока от одного активного слоя к другому, при этом при одном и том же токе, но примерно при удвоенном приложенном напряжении, выходная мощность излучения увеличилась в два раза.

Предложенный ПУЭ 40, используемый также в ПОУ, был выполнен на основе модификации ГС1, изображенной на Фиг.1. ПУЭ 40 этой модификации и способ его изготовления полностью совпадают с модификацией Лазера 30, изображенной на Фиг.5, за исключением того, что на сколотые грани ГС1 нанесены просветляющие покрытия с одинаковыми коэффициентами отражений R₁ и R₂, равными 0,01%. При всех значениях тока результирующее усиление в активном слое, определяемое составами и толщинами слоев гетероструктуры, а также коэффициентами отражения R₁ и R₂, было менее ее пороговой величины самовозбужения вплоть до плотностей тока 10 кА/см² и более. Условие вытекания излучения из активного слоя в слои втекания (при наличии сигнала на входе) начинает выполняться при превышении плотности тока более 0,3 кА/см². Угол вытекания ϕ при этом возрастает от 0° при 0,3 кА/см² до 1,53° при 10 кА/см². Входная апертура ПУЭ 40 при 10 кА/см² равна 8×10 мкм², а угловая апертура - примерно 6,0°×5,7°.

Следующая модификация ПУЭ 40 (см. Фиг.9), используемого в ПОУ, отличалась от предыдущей шириной полосковой области протекания тока, равной 8 мкм, составами и толщинами слоев ГС1, рассчитанными на длину волны излучения 1305 нм, а также тем, что к оптическим граням 31 с просветляющими покрытиями 41 и 42 (для которых R₁ и R₂ одинаковы и равны 0,01%) подсоединены оптические волокна: входное 43 - для ввода излучения через входную оптическую грань 31 с просветляющим покрытием 41 и выходное оптическое волокно 44 - для вывода излучения от противоположной оптической грани 31 с просветляющим покрытием 42. Размеры входной и выходной апертур ПУЭ 40, равные 10×10 мкм², находятся в соответствии с апертурами известных оптических волокон, что позволяет присоединить входное оптическое волокно 43 и выходное оптическое волокно 44 к оптическим граням 31 соответствующих покрытий 41 и 42 напрямую, в непосредственном контакте с ПУЭ 40. Эта модификация ПУЭ 40 с высокой эффективностью может быть использована в качестве усилителей мощности, оптических переключателей, оптических преобразователей длины волны в современных волоконно-оптических линиях связи. Ее основные достоинства - сниженные шумы, определяемые низкими потерями входного излучения при его вводе в ПУЭ 40. Фактор шума при этом может быть сравним с волоконными и рамановскими усилителями. Близкая к квадратной форма области распространения усиливаемого излучения площадью 100 мкм² делает ПУЭ 40 практически нечувствительным к поляризации входного сигнала. Малосигнальное усиление сигнала в таком ПУЭ 40 может быть получено более 35 децибелл, а усиливаемая мощность излучения без его насыщения может достигать вплоть до 1 Вт и более. Достоинством ПУЭ 40 является также то, что его выходное усиленное излучение практически симметрично и имеет малую угловую расходимости излучения.

Следующая модификация ПУЭ 40, используемого в ПОУ, отличалась от предыдущей тем, что введенная мезаполосковая область протекания тока была выполнена под углом наклона 7° по отношению к плоскости оптической грани. Это позволило примерно на порядок (в 10 раз) снизить требования к величине коэффициентов отражения R₁ и R₂.

Предложенный ПУЭ 40, используемый также в ПОУ, был выполнен на основе модификации ГС1, изображенной на Фиг.2. ПУЭ 40 этой модификации и способ его изготовления полностью совпадают с модификацией Лазера 30, изображенной на Фиг.6, за исключением того, что на сколотые грани ГС1 нанесены просветляющие покрытия с одинаковыми коэффициентами отражений R₁ и R₂, равными 0,01%.

Предложенный ПУЭ 40, используемый также в ПОУ, был выполнен на основе модификации ГС, изображенной на Фиг.3, и полностью совпадает с модификацией Лазера 30, изображенной на Фиг.7, за исключением того, что на сколотые грани ГС нанесены просветляющие покрытия с одинаковыми коэффициентами отражений, равными 0,01%.

Предложенный ПУЭ 40, используемый также в ПОУ, был выполнен на основе модификации ГС1, изображенной на Фиг.4, и полностью совпадает с модификацией Лазера 30, изображенной на Фиг.8, за исключением того, что на сколотые грани ГС1 нанесены просветляющие покрытия 41, 42 с одинаковыми коэффициентами отражений, равными 0,01%.

Следующая модификация ПУЭ 40, используемая также в ПОУ, отличалась от модификации Лазера 30 с двумя активными слоями при туннельном протекании тока между ними только коэффициентами отражений просветляющих покрытий 41, 42, равными 0,01%.

Предложенный ПОУ (см. Фиг.10) включает задающий источник входного излучения, выполненный в виде Лазера 30, оптически соединенного с ПУЭ 40. Лазер 30 и ПУЭ 40 изготовлены с использованием одной и той же модификации ГС1, описанной выше и схематически изображенной на Фиг.1. Лазер 30 совпадает с описанной ранее модификацией, схематически изображенной на Фиг.5. Отличие ПУЭ 40 от Лазера 30 состоит в нанесенных на сколотые грани 31 просветляющих покрытий 41, 42 с одинаковыми коэффициентами отражений, равными 0,01%. Полосковые области протекания тока Лазера 30 и ПУЭ 40 изготовлены с одинаковой шириной 8 мкм. Выходная апертура Лазера 30 и входная апертура ПУЭ 40 одинаковы и равны 8,0×8,0 мкм², а расчетные углы расходимости θ⊥ в вертикальной плоскости при плотности тока 10 кА/см² равны 6,0°. Мощность излучения Лазера 30 в одной пространственной моде по двум поперечным индексам равна 0,5 Вт. Большие и одинаковые выходная апертура задающего Лазера 30 и входная апертура ПУЭ 40 позволяют с достаточной точностью и малыми потерями излучения съюстировать задающий Лазер 30 и ПУЭ 40 на одной продольной оптической оси при кратчайшем расстоянии между ними. Такой ПОУ является супермощным источником высококачественного одномодового и одночастотного лазерного излучения.

Промышленная применимость

Гетероструктуры используются для создания полупроводниковых инжекционных источников излучения, например инжекционных лазеров, полупроводниковых усилительных элементов, полупроводниковых оптических усилителей, 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 усилителей и лазеров.

Использование: гетероструктуры используются для создания полупроводниковых инжекционных источников излучения: инжекционных лазеров, полупроводниковых усилительных элементов, полупроводниковых оптических усилителей, 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 и усилителей. Предложены гетероструктура, инжекционный лазер, полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель, особенностью которых является выполнение активной области и области втекания гетероструктуры, комплексный подбор расположения, составов, показателей преломления и толщин ее слоев, обеспечивающих эффективное функционирование инжекционных лазеров, полупроводниковых усилительных элементов и полупроводниковых оптических усилителей в переходной области формирования контролируемого вытекания излучения из активного слоя. Техническим результатом заявленного изобретения является модернизация гетероструктуры, в частности области втекания излучения и активного слоя, для обеспечения улучшения энергетических и пространственных характеристик инжекционных источников излучения, изготовленных на ее основе. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, характеризуемая отношением эффективного показателя преломления n_эф гетероструктуры к показателю преломления n_вт слоя втекания, а именно, отношение n_эф к n_вт определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, содержащая по крайней мере один активный слой, по крайней мере, два отражающих слоя по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированные по крайней мере из одного подслоя и имеющие показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления n_эф гетероструктуры, а также расположенную между активным слоем и соответствующим отражающим слоем прозрачную для излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, включающую по крайней мере один слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n_вт и состоящий по крайней мере из одного подслоя, а также по крайней мере один локализующий слой области втекания, состоящий по крайней мере из одного подслоя, отличающаяся тем, что в область втекания дополнительно введен основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n_вт слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою, с противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя.2. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что в диапазоне рабочих токов уменьшающееся с возрастанием тока отношение n_эф к n_вт определено из интервала значений от 1,01 до 0,99.3. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере два активных слоя, между которыми расположен дополнительно введенный основной центральный настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя и имеющий показатель преломления не менее показателя преломления n_вт слоя втекания.4. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что в область втекания введен примыкающий к поверхности локализующего слоя вспомогательный настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя и имеющий показатель преломления не менее показателя преломления n_вт слоя втекания.5. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один из подслоев отражающего слоя имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления слоя втекания.6. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один слой втекания области втекания имеет показатель преломления, одинаковый с показателем преломления локализующего слоя.7. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один из подслоев слоя втекания области втекания имеет состав, одинаковый или близкий к составу подложки, на которой выращена гетероструктура.8. Гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположен центральный основной настроечный слой, состоящий из двух тонких, высоколегированных подслоев р-типа и n-типа, обеспечивающих при работе инжекционного источника излучения туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому.9. Инжекционный лазер, содержащий гетероструктуру, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть среды оптического резонатора выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя и по крайней мере из части отражающего слоя, коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых для работающего инжекционного лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена по любому из пп.1-8, при этом отношение n_эф к n_вт в области пороговых токов лазерной генерации определено из интервала от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где гамма определяется числом, меньшим дельта.10. Инжекционный лазер по п.9, отличающийся тем, что в области пороговых токов лазерной генерации отношения n_эф к n_вт определены из интервала примерно от 1,005 до примерно 0,995.11. Полупроводниковый усилительный элемент, содержащий гетероструктуру, а также оптические грани, омические контакты и по крайней мере на одной оптической грани просветляющее покрытие, в котором средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя и по крайней мере часть отражающего слоя, при этом коэффициент отражения просветляющего покрытия на оптической грани, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых величина результирующего усиления излучения в активном слое во всем диапазоне рабочих токов менее величины результирующего усиления, приводящего к самовозбуждению работающий полупроводниковый усилительный элемент, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена по любому из пп.1-8.12. Полупроводниковый усилительный элемент по п.11, отличающийся тем, что слой втекания области втекания имеет толщину, примерно равную ширине введенной полосковой области протекания тока.13. Полупроводниковый усилительный элемент по п.11, отличающийся тем, что полосковая область протекания тока выполнена наклонной под соответствующим углом наклона к плоскости оптической грани.14. Полупроводниковый усилительный элемент по п.11, отличающийся тем, что противоположные оптические грани с нанесенными на них просветляющими покрытиями оптически соединены с оптическими волокнами.15. Полупроводниковый оптический усилитель, содержащий оптически соединенные задающий источник входного излучения и полупроводниковый усилительный элемент, отличающийся тем, что полупроводниковый усилительный элемент выполнен по любому из пп.11-14.16. Полупроводниковый оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что задающий источник входного излучения выполнен в виде инжекционного лазера.17. Полупроводниковый оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что инжекционный лазер выполнен по п.9.18. Полупроводниковый оптический усилитель по п.16 или 17, отличающийся тем, что инжекционный лазер и полупроводниковый усилительный элемент выполнены из одной и той же гетероструктуры и оптическое соединение произведено в непосредственном контакте между ними.