Интегральный полупроводниковый лазер-усилитель

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно высокомощные одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах. Сущность изобретения: в интегральном полупроводниковом лазере-усилителе, состоящем из задающего лазера и оптического усилителя, вывод излучения распределен по поверхности оптического усилителя в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателем на одной из ее границ и области, прозрачной для вывода излучения, расположенной на пути отраженного выводимого сигнала, обеспечивающих не только вывод части усиленного излучения, но и прохождение оставшейся ее части дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инжекционным током области усиления. 16 з. п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к высокомощным одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источникам излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра (красного, зеленого и синего излучения) за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах, используется в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования.

Известен ряд типов мощных многоэлементных лазеров, таких как лазерные линейки и решетки с торцевым излучением [1 - 3], а также лазерные линейки и решетки с поверхностным излучением [4 - 10].

Несмотря на наличие больших уровней выходных мощностей, они обладают одним очень существенным недостатком: излучения каждого из отдельных лазерных диодов, входящих в состав линейки или решетки полупроводниковых лазеров не взаимосвязанных между собой. Другими словами, суммарное излучение линейки или решетки происходит путем некогерентного сложения интенсивностей отдельных излучающих диодных лазеров. Кроме того, как правило, излучение последних многомодово, что в совокупности с указанной некогерентностью между ними определяет их низкие пространственно спектральные характеристики.

Недостатками этих типов лазеров является то, что при наличии больших уровней мощностей они не обладают одномодовым (не говоря уже об одночастотном) режимом работы и, следовательно, не имеют дифракционно расходящегося выходного излучения, желательного для большинства применений.

Известен ряд типов одномодовых, в том числе одночастотных, лазеров типа мастер лазер-усилитель мощности в интегральном исполнении [1 - 14], которые отличает высокое качество излучения, имеющего дифракционную расходимость, одномодовый и/или одночастотный режимы работы.

Однако в сравнении с приведенными выше многоэлементными лазерами, они обладают значительно меньшими уровнями мощностей выходного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является интегральный полупроводниковый лазер-усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнены задающий лазер с полосковой активной областью генерации шириной b, оптический резонатор, отражатели, оптический усилитель, содержащий расширяемую область усиления от ширины b до ширины f, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления паразитных излучений, причем полосковая активная область генерации и расширяемая область усиления оптически взаимосвязаны при помощи единого волновода [12([3]-см.с. 41)]).

Основные особенности конструкции интегрального полупроводникового лазер-усилителя (ИПЛУ) могут быть пояснены с помощью фиг. 1, где схематически дано аксонометрическое изображение известного одномодового и одночастотного полупроводникового квантового излучателя с дифракционной расходимостью выходного излучения (см. фиг. 1 на с.2053 в [12([3]-см.с.410]).

ИПЛУ в единой монолитной конструкции, выполненной в полупроводниковой многослойной гетероструктуре 1, помещенной на подложке 2, объединяет маломощный одночастотный задающий лазер 3 (мастер-лазер) с оптическим усилителем мощности 4. Задающий лазер 3 состоит из полосковой активной области генерации (ПАОГ) 5 шириной b = 4 мкм, ограниченной с торцевых сторон оптического резонатора (ОР) 6 распределенными брегговскими отражателями (РБО) 7, причем с внешней стороны РБО 7 имеет больший коэффициент обратного отражения, а со стороны, граничащей с оптическим усилителем мощности 4, РБО 7 имеет меньший коэффициент обратного отражения.

Оптический усилитель мощности 4 выполнен в той же полупроводниковой гетероструктуре 1, как продолжение задающего лазера 3, в форме расширяемой области усиления (РОУ) 8 длиной 2 мм. Расширение выполнено от b = 4 мкм до f = 250 мкм. Усилитель заканчивается средством вывода усиленного излучения в виде просветленной сколотой грани гетероструктуры 1, для чего на эту грань нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 9 с глубоким просветлением R ≈ 5·10^-4. Выходная апертура усилителя 4 равна 250 мкм.

Оптическая взаимосвязь между задающим лазером 3 и оптическим усилителем мощности 4 обусловлена наличием в гетероструктуре 1 единого волновода, включающего активный слой 10, часть которого относится к задающему лазеру 2 (ПАОГ 5), часть к оптическому усилителю 4 (РОУ 8).

Кроме того, в конструкции ИЛПУ предусмотрены средства, обеспечивающие подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала, способные сорвать одномодовый режим его работы. Ими в [12([3]-см.с.41)]) являются те же антиотражающие покрытия 9, нанесенные на торцевую выходную грань оптического усилителя 4.

Омические контакты 11, 12, размещены на поверхности единого волновода, а именно на поверхности ПАОГ 5 - омический контакт 11, и на поверхности РОУ 8 - омический контакт 12, а омический контакт 13 нанесен на подложке 2.

Достоинством данного ИПЛУ является то, что, в сравнении с известными мезаполосковыми лазерными диодами [15], получено не только повышение мощности выходного излучения, но и дифракционно ограниченное излучение при сохранении одномодового и одночастотного режима его работы. Уровни мощности в непрерывном режиме работы для таких ИПЛУ составляют единицы ватт, в то время как для полосковых лазерных диодов всего доли ватта.

Однако для ряда применений требуется значительно большие выходные мощности излучения - десятки, сотни ватт и более. Кроме того, выходное излучение ИПЛУ обладает очень большой астигматичностью - размеры тела его свечения равны 1·250 мкм, что создает определенные трудности при передаче получаемого излучения при его различных использованиях. =Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен ИПЛУ, в котором в задающем лазере полосковая активная область генерации по крайней мере одна, в оптическом усилителе расширяемая область усиления по крайней мере одна и выполнена длиной, меньшей длины оптического усилителя, дополнительно введена полосковая область усиления шириной f, соединенная с расширяемой областью усиления через первое средство вывода излучения и состоящая по крайней мере из одной ячейки усилителя, составляющей по крайней мере одну линейку усиления, ячейка усиления ограничена с противоположной стороны аналогичным первому средством вывода излучения, каждое из данных средств вывода выполнено в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению ко входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки, при этом введен угол Ψ, , образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетеростурктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемой в диапазоне (π/2)-arcsin(1/n) < Ψ < (π/2)+arcsin(1/n), , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также введен угол ϕ, , образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемый в диапазоне (1/2)arcsin(1/n) < ϕ < (π/2)-(1/2)arcsin(1/n), , дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемым потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, в области прозрачной для вывода излучения, ограниченной дном выемки, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящем от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,95 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце выемки в предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке обратно пропорционально потоку энергии P_вх, - далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства, отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.

Для обеспечения одномодового и/или одночастотного режима работы возможны различные варианты выполнения отражателей оптического резонатора задающего лазера: один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговского зеркала.

оптический резонатор выполнен в виде распределенной обратной связи.

Для расширения функциональных возможностей и упрощения технологического изготовления в оптическом усилителе в усиливающей области, содержащей расширяемую область усиления, начиная от входа до начала расширения выполнена полосковая часть области усиления шириной b.

Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки и получения различных направлений вывода предложены различные варианты: при непрозрачной для выходного излучения подложке в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ), превышающую отношение 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5 - 100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в введенном слое.

при выводе излучения по нормали к слоям гетероструктуры в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол Ψ выбран равным π/2 , а угол ϕ выбран равным π/4. .

для снижения потерь в предшествующем случае в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения задающего лазера, распространяющегося во время работы устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоев эмиттера и прилегающего к нему полупроводникового слоя; для вывода излучения по нормали к плоскости слоев гетероструктуры, в частном случае, по нормали к поверхности подложки, и при исключении переотражений в случае плоской поверхности вывода излучения, наклонной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии параллельной ребру выемки, угол Ψ для которого выбран равным π/2, , а) при выборе угла ϕ, , меньшим π/4, , угол ε задан соотношением
n sin{ε-[(π/2)-2ϕ]} = sinε, ,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения;
б) при выборе угла ϕ, , большим π/4, , угол ε задан соотношением
n sin{ε-[2ϕ-(π/2)]} = sinε, ,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В следующем случае для уменьшения паразитных отражений и переотражений предложено по периметру активных областей по крайней мере оптического усилителя средства подавления паразитных излучений выполнять в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны боковых границ активных областей излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами внутреннего отражения к преимущественному направлению подаваемых паразитных излучениям и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значений не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

Причем в канавки введен материал, поглощающий излучение, и предложено в качестве него выбрать полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) излучения задающего лазера, генерируемого во время работы устройства, при этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

Для достижения более высокой плотности рас положения областей излучения в водном многолучевом лазере сформированы различные варианты двумерной площади тела свечения. При этом возможно при фазированном сложении достигнуть значительного сужения диаграммы направленности суммарного излучения и плотности мощности (выше суммарной) в дальнем поле.

В одном случае полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающего по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающего внешне боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления.

В другом случае сформированы по крайней мере две идентичные параллельно расположенные последовательности полосковой активной области генерации, усиливающей области, содержащей по крайней мере расширяемую область усиления, и линейки усиления, причем полосковые активные области генерации помещены на расстояниях, превышающих оптическое взаимодействие между ними, и ограничены едиными отражателями с каждой стороны соответственно, а средства подавления паразитных излучений расположены по крайней мере между боковых сторон полосковых активных областей генерации и в виде единой области со стороны всех конечных выемок линеек усиления.

При этом предложено для фазирования излучения
в любой линейке усиления по крайней мере на одной ячейке усиления формировать автономный омический контакт.

в параллельно расположенных линейках усиления
а) на полосковых частях каждой области усиления, содержащей расширяемую область усиления, сформированы автономные омические контакты,
б) по крайней мере на одной ячейке усиления каждой линейки усиления сформированы автономные омические контакты.

Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении новой и оригинальной конструкции лазер-усилителя типа бегущей волны с поверхностным излучением, в которой с одним спектральным составом области выходного излучения заданным образом распределены в пределах линейной или двумерной площади тела свечения.

Впервые неочевидным путем осуществлен вывод части усиленного излучения из оптического усилителя ИПЛУ при помощи предложенных средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с фронтально размещенными отражателями и областей, прозрачных для выводимого излучения. При этом указанные средства обеспечивают прохождение оставшейся части (обычно, меньшей) этого же усиленного излучения в последующий участок усиления, для которого эта оставшейся часть излучения является входным сигналом (аналог сигнала задающего лазера 3 для РОУ 8). Последний в этом участке усиления вновь усиливается, возможно до уровня насыщения, и вновь выводится через следующее аналогичное средство вывода излучения, и так процесс поочередного усиления и вывода излучения может быть повторен требуемое число раз.

Следовательно, нами реализовано значительное увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе за счет обеспечения периодического "сброса" части излучения и усиления оставшейся части, причем предложение ново, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Ясно, что для обеспечения на всей длине области усиления вывода дифракционно ограниченного одномодового и/или одночастотного когерентного излучения необходимо исключить возможность возникновения самовозбуждаемой генерации. Предложенные для этой цели средства подавления паразитных излучений, средства рассеяния излучений, выполнение областей, прозрачных для выводимых излучений позволили создать различные модификации предложенного ИПЛУ, составляющие единый общий изобретательский замысел.

Все это обеспечивает значительное увеличение выходной мощности, дает возможность при подстройке токов накачки в соответствующих ячейках усиления достигнуть сужения диаграммы направленности суммарного излучения, а также управления ею вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений и снижение астигматизма от областей излучения ИПЛУ при возможности вывода излучения практически со всей поверхности оптического усилителя, отводов больших количеств выделяемого тепла от активных областей ИПЛУ и относительной технологической простоты его изготовления.

Настоящее изобретение будет более понятно из фиг. 2 - 8.

На фиг. 2 схематически изображен вид сверху конструкции предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 3 - продольный разрез А-А предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 4 - 6 - фрагменты продольного разреза А-А предлагаемого ИПЛУ; на фиг. 7 - 8 - конструкции предлагаемого ИПЛУ с двумерной интегральной полосковой областью усиления различной топологии: в виде "змейки" фиг. 7, в виде параллельно расположенных ПАОГ, РОУ, линеек усиления фиг. 8.

Предложенное устройство ИПЛУ фиг. 2 и 3 состоит из следующих основных частей, выполненных на едином волноводе: заданного одночастотного мастер-лазера 3 с РБО 7 и оптического усилителя 4, в котором в начале расширяемой области усиления 8 помещен полосковый участок активной области, условно названный нами предусилителем 14, плавно переходящий в расширяемую область усиления, соединенную с полосковой областью усиления (ПОУ) 15 через средство вывода части усиленного излучения. В ПОУ 15 вдоль ее длины регулярно расположены те же средства излучения, которые выполнены в виде выемок 16 с отражателями 17, помещенными на фронтальной наклонной грани каждой выемки по отношению ко входу в усилитель. Средства вывода излучения содержат также области, прозрачные для выводимого излучения 18, которые на фиг.3 обозначены пунктиром. ПАОГ 5 выполнена шириной b, предусилитель 14 - шириной b, РОУ 8 выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, ПОУ 15 - шириной f. Выемки 16 имеют глубину x_o, определяемую в рассматриваемом случае от поверхности гетероструктуры 1 (в общем случае - от поверхности, противоположной поверхности вывода излучения). Выемки 16 ограничивают с двух сторон каждую ячейку усиления 19, последовательность которых образует линейку усиления 20 ПОУ 15. Выполнены подавляющие паразитное излучение области 21 и 22, поглощающие, либо рассеивающие с дальнейшим поглощением самопроизвольные паразитные отражения и переотражения. Расположены они непосредственно за последней (по ходу усиления) выемкой 16 (торцевые подавляющие области 21) и по обе стороны от всей области усиления оптического усилителя 4 с предусилителем 14 и вокруг мастер-лазера 3 (боковые подавляющие области 22) на расстоянии, на котором боковой спад интенсивности излучения из активных областей усиления достигает не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

На продольном разрезе А-А гетероструктуры 1 и подложки 2 ИПЛУ (фиг. 3) показано, что гетеростурктура 1 состоит из активного слоя 10, двух окружающих его эмиттеров 23, 24, контактного полупроводникового слоя 25, помещенного на эмиттере со стороны противоположной расположению подложки, и омических контактов 11, 12, 13, где омический контакт 12 является омическим контактом ко всему оптическому усилителю 4, включая все его части, а именно к предусилителю 14, РОУ 8, РОУ 15. В ряде случаев возможно автономное выполнение омического контакта 26 к предусилителю 14.

Активный слой 10 в реальных гетероструктурах 1, в частности, с напряженными квантово-размерными подслоями, например [16], может включить несколько квантово-размерных активных подслоев в разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих в эмиттерами 23, 24 соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

Грани выемки 16 могут быть покрыты упрочняющими защитными покрытиями 27, а фронтальная по отношению в распространяемому усиливаемому излучению дополнительно покрыта высокоотражающим покрытием 28 (см. фиг. 3 - 6).

Для осуществления вывода излучения через области, прозрачные для выводимости излучения 18, а именно слои гетероструктуры 1 и подложку 2, расположенные по пути прохождения отраженного усиленного излучения от отражателя 17 выемки 16, в подложке 2 выполнены поверхности вывода 29, свободные от омического контакта 13 и покрытые многослойными диэлектрическими антиотражающими покрытиями 9. На фиг. 4 - 6 на фрагментах разрезов изображены различные варианты размещения отражателей 17 выемок 16 и поверхностей вывода 29, выполненных либо на поверхности подложки 2 (фиг. 4, 5), либо в углублениях в подложке 2 (фиг. 6). При этом поверхности вывода 29 могут помещены под различными углами ε к плоскости слоев гетеростурктуры 1 в зависимости от положения отражателя 17, т.е. от величины угла Ψ (образован направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления) и угла ϕ (образован нормально, мысленно проведенной в плоскости активного слоя, к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки).

На фиг. 5 показан дополнительно введенный просветляющий слой 30, помещенный между эмиттером 24 и подложкой 2.

На фиг. 7, 8 изображены поворотные отражатели 31, помещенные на поворотной ячейке усиления 32, соединяющей две смежные последовательно расположенные линейки усиления 20, использованные для создания двумерной интегральной ПОУ 15 с поворотными ячейками 32 в предположенном ИПЛУ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение из задающего лазера 3 (см. фиг. 2) через селективный РБО 7 вводится по полосковому волноводу предусилителя 14 в РОУ 8, в которой усиливается дифракционно расходящееся излучение. Величина усиленного излучения может быть рассчитана с помощью известных методик для определенной гетероструктуры 1 известным образом при знании величины тока, приложенного к РОУ 8, а также длины РОУ 8. Усиленное до заданной величины (P_o) излучение, попадая на фронтальную наклонную зеркальную грань выемки 16 - отражатель 17, отражается от него и выводится из активного слоя 10. (В данном частном случае, изображенном на фиг. 2 при углах Ψ = π/2 и ϕ = π/4 лучи отражаются под прямым углом в сторону подложки.) Однако, так как выемка 16 глубиной х₀ специально рассчитана и сформирована из активного слоя 10 выводится на все излучение, а только его часть - P_вых. Оставшаяся, обычно меньшая часть проходит непосредственно под дном выемки 16 и излучение P_вх (обычно не менее 10^-3) попадает в первую ячейку усиления 19 ПОУ 15. Здесь за счет приложенного к этой ячейке 19 тока накачки, излучение в конце нее вновь может быть усилено практически до насыщения (в зависимости от длины ячейки 19 и силы приложенного тока), вновь отражается от отражателя 17 следующей выемки 16 и выводится из активной области ячейки усиления 19 и т.д.

На фиг. 3 на продольном разрезе, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1, показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 10. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 10, вдоль оптической оси симметрии, а спадающие хвосты распределения захватят эмиттеры 23 и 24.

Расчет распределения интенсивности излучения I(x) для конкретной гетероструктуры 1 при заданных составах и толщинах всех ее слоев в настоящее время не представляет трудностей (см., например, [17]). Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки через сечение, нормальное к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен
kP_o= k∫_oI(x)dx = ∫_xI(x)dx, ,
где
P_o - полный поток мощности излучения через гетероструктуру 1.

При выбранном значении k, равном, например 0,1, можно найти x₀ т.е. то расстояние, на которое дно выемки 16 должно быть отдалено от поверхности контактного слоя 25 или, что тоже самое, от поверхности гетероструктуры 1. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирает в диапазоне (0,99 - 0,001) P₀.

Указанный диапазон изменения k= 0,99-0,001 может быть также обоснован известными данными [18] и проведенными оценками.

Поток энергии, равный (1-k)P₀=P_вых, будет выведен из гетероструктуры 1 в направлении подложки 2, за вычетом потерь, в основном дифракционных, связанных с таким выводом. Эти потери будут пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателем выемки, превышает значение длины волны генерируемого излучения, распространяемого в гетероструктуре. Это означает, что практически для используемых гетероструктур указанное выше условие выполнимо.

Доля полного потока, равная kP₀, за вычетом потерь, связанных с вхождением этой части излучения в моду излучения (процесс формирования моды в следующей ячейке генерации) является входным потоком мощности P_вх, поступающим в следующую ячейку генерации 11. Из проведенных оценок определено, что основную долю составляют дифракционные потери, связанные с процессом формирования моды, которые зависят от величины k. Величина этих потерь варьируется от нескольких процентов P₀ до значений, не превышающих 0,25 P₀.

Перешедшая в следующую ячейку 19 доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя 17 выемки 16, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке было обратно пропорционально величине P_вх.

Обращаем внимание на то, что отраженная часть выходного потока мощности должна быть выведена из гетероструктуры 1 с минимальными обратными отражениями в активный слой 10. Обратно отраженные паразитные излучения могут привести к самовозбуждению областей генерации в усиливающих областях, т.е. к нарушению одномодового (одночастотного) характера усиленного излучения. Для решения этого вопроса могут быть предусмотрены различные конструктивные меры, относящиеся как к расположению выемок, т.е. к углу Ψ, к наклону отражателя, т. е. к углу ϕ, к областям, прозрачным для выводимого излучения 18, включая расположения поверхностей вывода 29 излучений, т.е. к углу ε, так и к областям подавления паразитных излучений 21 и 22.

Рассмотрим влияние положения отражателей 17 и поверхностей вывода 29 излучения, а также конструкции областей, прозрачных для выводимого излучения 18, на реализацию режима усиления в ПОУ 15 при увеличенной эффективной длине усиления излучения, а также на снижение вероятности возникновения самовозбуждаемых областей генерации в усиливающих областях.

Нами определено, что для реализации необходимых условий усиления необходимо, чтобы направления ребер выемок были направлены либо перпендикулярно по отношению к направлению боковых поверхностей ПОУ 15, либо под некоторым углом Ψ ≠ 90° ограниченным диапазоном значений
(π/2)-arcsin(1/n) < Ψ < (π/2)+arcsin(1/n),
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а наклон отражателей ограничен диапазоном значений углов ϕ
(1/2)arcsin(1/n) < ϕ < (π/2)-(1/2)arcsin(1/n),
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Эмпирически подтверждено, что при выбранном нами диапазоне наклона ребер выемки 16 и наклона отражателей 17 возможна реализация вывода излучения из оптического усилителя 4, значительное уменьшение рассеяния паразитно отраженных излучений, что в совокупности с условиями расположения дна выемки позволяет наиболее оптимально реализовать достаточно эффективный выход части излучения и его введение в следующую ячейку для дальнейшего усиления.

Для случая, когда длина волны выводимого излучения λ [мкм] < 1,24/Eg, где Eg [эВ] - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена по крайней мере из области вывода излучения.

В этом случае при выращивании гетероструктуры 1 между подложкой и эмиттером может быть выращен дополнительный прозрачный полупроводниковый слой толщиной в пределах 5 - 100 мкм. Известно, что условие прозрачности отвечает требованию λ [мкм] > 1,24/(E_g+δ), где E_g[эВ] - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, причем δ следует выбирать не менее 0,1 эВ.

Выходное излучение может быть направлено как наклонно, так и перпендикулярно к плоскостям слоев гетероструктуры 1.

Как сказано ранее, перпендикулярный вывод излучений обеспечивается в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, и выборе угла Ψ = π/2, , а угла ϕ = π/4. . Однако при этом возможно увеличение отражений от поверхностей слоев гетероструктуры и поверхности выхода излучения, в частном случае, о поверхности подложки 2, что крайне нежелательно (фиг. 4).

Как показали эксперименты для минимизации этого эффекта желательно на пути вывода отраженного излучения из активного слоя 10 гетероструктуры 1, например, между эмиттером 24 и подложкой 2 в многослойной гетероструктуре 1 желательно встраивать просветляющий полупроводниковый слой 30, оптическая толщина которого равна четверти длины волны выводимого излучения (фиг. 5). Просветляющие свойства слоя 15 определяются выполнением условия где n₁₅, n₄, n₂ - показатели преломления четвертьволнового просветляющего слоя 15, эмиттера 14 и подложки 2, соответственно. Аналогично такой слой может быть введен со стороны другого эмиттера при противоположном выводе излучения.

Также снизить эффект переотражений и паразитных излучений при направление выходного излучения по нормали к плоскостям слоев гетероструктуры 1, в частности, к подложке 2 при углах Ψ = π/2 и ϕ ≠ π/4 позволяет выбор определенного наклона плоской поверхности вывода излучения к плоскостям слоев гетероструктуры 1 (фиг. 6). Было выяснено, что для ϕ < π/4 угол ε задан соотношением
n sin{ε-[(π/2)-2ϕ]} = sinε,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а для угла ϕ > π/4 угол ε задан соотношением
n sin{ε-[2ϕ-(π/2)]} = sinε, ,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В местах выхода лучей из подложки 2, свободных от металлических контактных слоев омического контакта 13, желательно наносить антиотражающие покрытия 9.

Для случая, когда подложка 2 непрозрачна для выходного излучения, вышеприведенные конструктивные решения остаются в силе, но при этом в местах выхода излучения подложка 2 должна быть удалена.

Как сказано ранее, для уменьшения обратно отраженных паразитных излучений нами выполнены области их подавления 21 и 22. Для этого в конце последней ячейки усиления 19 ПОУ 15, непосредственно после отражателя 17 конечной выемки 16 в гетероструктуре 1 создается торцевая область подавления паразитных излучений 21, а именно, либо область поглощения, либо рассеяния с последующим поглощением прошедшей под выемкой 16 малой части излучения P_вх, а также подавлением отраженных и переотраженных излучений с целью предотвращения самовозбуждения усилителя.

Предложено с боковых сторон активной области, по крайней мере, задающего лазера 3 и в торце ПОУ 15 после последней выемки 16 ячейки усиления 19 выполнять канавки для создания торцевой и частично боковой областей подавления 21 и 22. Также могут быть выполнены аналогичные канавки по бокам предусилителя 14 и РОУ 8 оптического усилителя 4 для создания частично боковых областей подавления 22.

Эмпирически было выяснено и подвержено расчетными оценками, что подавление паразитных излучений при минимально вносимых потерях достигается при расположении канавок на расстояниях, при которых боковой спад интенсивности генерируемого либо усиливаемого излучения снижается до значений не более чем 0,1 максимального значения интенсивности излучения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем данные канавки должны быть выполнены, по крайней мере, на глубину расположения всех слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Стороны канавок, смежные с боковыми сторонами активных областей, желательно формировать под углами полного внутреннего отражения к преимущественно распространяемым паразитным излучениям. Они могут быть рассчитаны при помощи известных методик.

Для увеличения эффекта подавления паразитных излучений канавки заполняют поглощающими излучение материалами с определенными характеристиками. Как определено, наилучшими материалами являются полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны E_g (эВ) < 1,24/λ (1/мкм) . При этом необходима ширина канавок не менее 3/α, где α - коэффициент поглощения выбранного полупроводникового материала для данной длины волны λ (мкм). . Полупроводниковыми материалами могут быть германий, кремний, арсенид индия и т.д.

Из литературы [12, 19] известно введение областей, подавляющих паразитные излучения: как торцевой области 21 [12], так и боковых областей 22 [19]. Однако для данной конструкции ИПЛУ выбраны расположения, углы наклона боковых сторон канавок, смежных с активными областями, используемые поглощающие материалы. Выяснено, что увеличение расстояний между канавкой 21 и торцевой стороной ПОУ 15, а также между канавками 22 и боковыми сторонами активных областей ИПЛУ значительно снижает эффект подавления паразитных излучений. Наименьшее расстояние определяется технологическими возможностями и требованиями исключения переотражений от граней канавок в активную область. Углы наклона канавок выбирают именно такими, чтобы исключить обратные переотражения. Предварительно они могут быть рассчитаны при помощи известных методов и уточнены во время эксперимента, так как зависят от каждой конкретной конструкции ИПЛУ, т.е. конкретной гетероструктуры и его элементов. Из сказанного следует, что вся совокупность существенных признаков предложенного ИПЛУ, включающего указанные средства подавления паразитных излучений обладает изобретательским уровнем и новизной.

Предложенные нами и рассмотренные здесь модификации элементов позволяют оптимизировать конструкцию ИПЛУ и получить превосходные параметры как по величине выходной мощности, так и по качеству получаемого излучения.

Для дальнейшего увеличения выходной мощности предложены различные варианты топологий ПОУ 15, ПАОГ 5, предусилителя 14.

На фиг.7, 8 представлено несколько вариантов ИПЛУ, отличающихся двумерной областью поверхностного излучения, сформированными из линеек усиления 20, соответственно в виде, например, "змейки" (фиг.7), а также из "решетки" (фиг.8). Возможны также другие варианты создания топологий двумерных областей, не представленные в настоящем описании и на фигурах (например, "свернутая спираль", "раскручивающаяся спираль" и т.д.).

На фиг. 7 излучение задающего лазера, усиленное в РОУ 8, поочередно отражаясь для вывода из активного слоя 10 и усиливаясь вновь, как описано ранее, достигает конца линейки усиления 20. Здесь за счет введения поворотного отражателя 32, сформированного под углом 45^oC по отношению с боковым поверхностям линейки усиления 20 и пересекающим по нормали все слои гетероструктуры 1 вплоть до подложки 2, излучение за счет полного внутреннего отражения на этом зеркале меняет направление на угол 90^oC в ту или иную сторону, в зависимости от направления угла поворота линейки усиления 20. Далее процесс повторяется во второй линейке усиления 20, расположенной под прямым углом к первой. На конце второй линейки 20 также сформирован аналогичный поворотный отражатель 31. В конце последней линейки 20 непосредственно после выемки 16 для вывода излучения, например, через подложку 2 сформирована торцевая подавляющая паразитное излучение область 21.

Варьируя последовательность и углы поворотов, длины линеек усиления 20 можно сформировать разнообразные варианты двумерных фигур ПОУ 15 и, соответственно, поверхностей с регулярно расположенными на них поперечными полосками излучения.

Так, например, может быть выполнен ИПЛУ, включающий 41 линейку усиления 20, причем каждая последующая линейка усиления 20 расположена под прямым углом по отношению к предыдущей (см. фиг.7). При этом первая линейка усиления 20, граничащая со стороны входа излучения с РОУ 8 будет состоять из двух ячеек усиления 19, вторая, четвертая и все четные линейки усиления 20, вплоть до сороковой - из одной ячейки усиления 19; третья и все нечетные линейки усиления 20, вплоть до последней нечетной 41 линейки усиления 20 - из 6 ячеек усиления 19. Всего в устройстве, кроме поворотных, должно быть предусмотрено 142 ячейки усиления 19. На каждом повороте помещена поворотная ячейка 19 (всего 40 штук), ограничения на повороте поворотным отражателем 31. Каждый из таких зеркальных отражателей 31 должен быть расположен под углом [(π/4) ± 0,01] рад по отношению к падающему на них усиливаемому лучу так, что направление усиливаемого излучения в каждой из нечетных шестиячеечных линеек усиления 20, начиная с 3 и кончая 41, меняется на противоположные.

Таким образом может быть сформировано двумерное плотноупакованное тело свечения для выходного усиленного излучения, имеющего форму типа "змейки". Общий размер близкого к квадратному тела свечения для данного ИПЛУ равен 3,0·3,2 = 9,6 мм².

Для выполнения определенной архитектуры ПОУ 15 и поворотных отражателей 31 можно использовать хорошо отработанные в настоящее время методы планарной технологии и фотолитографии, а также разработанные в последнее время технологии изготовления травленных зеркал [20].

Другие варианты конструкций ИПЛУ с двумерной поверхностью излучения оптического усилителя 4 без использования поворотных отражателей 31 могут быть образованы так называемыми "решетками". При этом оптический усилитель состоит из идентичных параллельно расположенных последовательностей волноводов предусилителя 14, РОУ 8 и линеек усиления 20, объединенных с помощью задающего лазера 3. Последний может состоять либо из одной ПАОГ 5, либо из нескольких. Элементы "решеток" сформированы аналогично элементам, описываемым ранее в соответствии с фиг.2 - 6.

В случае одной ПАОГ 5 задающего лазера 3 (топология размещения ПАОГ 15, предусилителя 14 и РОУ 8 оптического усилителя 4 известна из научной литературы - см., например, [21, фиг.1] ее выход соединен с единым входным концом далее разветвляющегося волновода предусилителя 14. Выходы его соединены с несколькими (по числу отводов волновода предусилителя 14) входами РОУ 8.

В другом случае, изображенном на фиг.8, в гетероструктуре 1 сформировано несколько параллельно расположенных единых волноводов, т.е. несколько параллельно расположенных ПАОГ 5 задающего лазера 3, число которых равно числу волноводов, расположенных друг от друга на расстояниях, превышающих расстояние возможного оптического их взаимодействия между ними. Оптический резонатор 6 является единым для всех ПАОГ 5 с идентичными РБО 7. Излучение от каждой ПАОГ 5 через соответствующий волновод предусилителя 14 и соответствующую РОУ 8 вводится в соответствующую интегрально выполненную линейку усиления 20. Процессы поочередного вывода и усиления оставшегося введенного в следующую ячейку усиления 19 излучения в линейках 20 аналогичны описываемым ранее (см. Описание к фиг. 6 настоящего изобретения).

Подобный ИПЛУ с двумерной излучающей поверхностью может состоять, например, из 15-ти единых волноводов с 15-ю одинаковыми ПАОГ 5, 15-ю предусилителями 14, 15-ю РОУ 8 и 15-ю линейками усиления 20 ПОУ 15 оптического усилителя 4. Все ПАОГ 5 должны быть объединены общим резонатором 6 с идентичным РБО 7 и ко всем линейкам 20 должна быть выполнена единая торцевая область подавления паразитных излучений 21. Для исключения оптического взаимодействия между ПАОГ 5 все 15 единых волноводов должны быть расположены строго параллельно (см. фиг. 8) на расстояниях, превышающих расстояния оптического взаимодействия между ними (обычно единицы микрон). Выбранное для данного ИПЛУ это расстояние равно 50 мкм.

Для обоих случаев "решеток" ИПЛУ могут быть автономно выполнены омические контакты 26, которые помещены на волноводах предусилителя 14. В этих случаях они могут служить не только для предварительного усиления выходного излучения ПАОГ 5 задающего лазера 3, но также и для контроля фаз излучения ПАОГ 5. Для этого независимо контролируют ток, протекающий через каждый отрезок волновода предусилителя 14, или какие-либо другие участки оптического усилителя 4, к которым также могут быть выполнены автономные омические контакты 12. Нужное изменение фазы при этом достигается заданным введением концентрации инжектированных носителей, изменяющих длину оптического пути для усиливаемого излучения в таком участке. Подобный контроль для другого конструктивного исполнения решетки лазерных усилителей известен из [22].

Для высококачественных гетероструктур 1, близких к идеальным, выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей 17 выемок 16, будут сфазированными между собой, и их когерентное сложение в этом случае обеспечивает в дальнем поле не только указанные выше высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее (относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излучения в каждом из двух направлений (вдоль линейки генерации и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений. Однако структуры обычно не идеальны и в этих случаях необходима какая-либо подстройка условий работы ячеек усиления 19 друг к другу. Наиболее простой является токовая подстройка. В ряде случаев возможна токовая подстройка только одной ячейки 19 в линейке 20, но может возникнуть необходимость подстройки каждой ячейки 19. В этом случае для получения сфазированного излучения требуется автономное исполнение омических контактных слоев 17 к каждой из ячеек усиления 19 и независимый контроль тока через каждую ячейку 19.

Соответствующее управление контроллерами (например, с помощью компьютеров) позволяет обеспечить не только синхронизацию выходного излучения между линейками усиления 20, но и между ячейками усиления 19, а также управляемое сканирование выходного луча для всего ИПЛУ в целом.

Приведенные нами объяснения работы и доказательства существенности отличительных признаков устройства позволяют определить главное достоинство предложенных конструкций ИПЛУ - возможность получения относительно несложными известными технологическими приемами сверхвысоких уровней выходной мощности излучения при поддержании одночастотных и/или одномодовых его свойств со всеми присущими ему уникальными качествами: узкой диаграммой направленности излучения, определяемой дифракционной расходимостью отдельных излучающих элементов ИПЛУ и их когерентным сложением в дальнем поле, узким спектром излучения, присущим одной частоте генерации для задающего лазера, высокой температурной стабильностью длины волны излучения, однородностью ближнего поля излучения, высокой надежностью.

Поддержание одночастотного и/или одномодового режимов работы предложенного ИПЛУ с модификациями связано с тем, что все активные элементы предлагаемого устройства, как описывается ранее, работают в режиме усиления одномодового и/или одночастотного излучения задающего лазера.

Высокие мощности предложенных в данном изобретении конструкций ИПЛУ обеспечиваются тем, что в оптический усилитель 4 дополнительно ведена ПОУ 15 с увеличенной эффективной длиной усиления излучения за счет введения отдельных ячеек усиления 19, на границах которых происходит "сброс" из активной области 10 части излучения и введения оставшейся части в следующую ячейку 19 для дальнейшего усиления в ней.

Фактически, в предложенном ИПЛУ для одночастотного излучения, распространяющегося в ПОУ, осуществлен режим бегущей волны и, вследствие этого, выходные лучи, отраженные от каждой выемки, например, регулировкой тока могут быть сфазированы между собой, что невозможно получить при простом суммировании мощностей от большого количества обычных лазер-усилителей [11]. В последнем случае также можно получить высокие значения выходных мощностей, однако при этом невозможно достигнуть других вышеназванных характеристик выходного излучения предлагаемого ИПЛУ. Поэтому предложенный нами ИПЛУ нельзя рассматривать как результат сложения известных решений.

Следует также заметить, что поскольку вывод излучения в предложенных ИПЛУ может быть осуществлен через подложку 2, то имеется возможность отвода больших потоков тепловыделения из активных слоев 10 ИПЛУ, расположенных обычно, всего лишь на расстояниях нескольких микрон от внешней поверхности гетероструктуры 1. Это позволяет получать большие выходные мощности от предложенных ИПЛУ не только в коротких импульсах, но и большие уровни мощности в непрерывном и квазинепрерывном режимах его работы
Достижение поставленной задачи стало возможным только при реализации всей совокупности признаков изобретения.

В первую очередь специфической конструкцией полосковой области усиления, а именно, расположением по отношению к слоям гетероструктуры 1 выемок 16 (как определено выше), позволяющих не только вывести из активного слоя часть излучения, но и ввести в каждую последующую ячейку усиления 19 часть усиленного излучения, играющую такую же роль, как задающий лазер 3 по отношению к РОУ 8. Кроме того, усилительный режим в ячейках усиления 19 поддерживается введенными в конструкции ИПЛУ средствами подавления возможных паразитных излучений, возникающих вследствие отражений и переотражений (описывается ранее в торце оптического усилителя 4, после последней ячейки усиления 19, ее выемки 16, так и с боковых сторон активной области, а также при выводе излучения из активного слоя 10 через область, прозрачную для выводимого излучения 18 (требования к углам наклона отражателей 17 и поверхностей вывода 30, к просветляющим слоям 31). Устранение попадания отраженных оптических лучей в активные слои 10 ячеек усиления 19 препятствует самовозбуждению и генерации в них лазерного многомодового излучения. Следует отметить, что вся совокупность указанных выше средств подавления паразитных отражений в предложенных конструкциях ИПЛУ обладает большей эффективностью, не только по сравнению с используемым в прототипе нанесением, многослойного просветляющего диэлектрического покрытия на выходную грань зеркала скола, но и по сравнению с другими известными средствами [12, 19].

В настоящее время известны по отдельности различные устройства отражения излучения от отражателя выемки, помещенного под углом к направлению распространения усиливаемого излучения [23] и устройства прохождения излучения по волноводному слою под выемкой и перевода излучения в активный слой последующей области [24]. Однако формальное сложение известных решений не позволяет получить предложенное изобретение и решить поставленную техническую задачу. Достижение предложенного стало возможным только при оригинальном и неочевидном совмещении в одном узле внутри усиливаемой среды предложенного нами нового средства вывода и ввода излучения определенной конфигурации и определенным образом расположенного, что и обуславливает изобретательский уровень изобретения.

Здесь следует также отметить, что изготовление предложенного ИПЛУ опирается на ряд известных и в большинстве случаев отработанных технологий. Кроме технологий изготовления напряженных квантоворазмерных гетероструктур [16] и мезаполосковых активных областей [15], это относится также к технологии травления выемок под различными углами к гетероструктуре [25], технологии изготовления травленного зеркала [20], технологии изготовления РБО [26]. Это все обеспечило промышленную применимость изобретения.

Нами определено, что только вся неочевидная совокупность указанных существенных признаков, обладающая изобретательским уровнем, новизной и промышленной применимостью позволила решить поставленную техническую задачу: увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода.

Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Предложенный ИПЛУ с поверхностным излучением (см. фиг. 2, 3) с одной линейкой усиления 20 был изготовлен следующим образом.

На полированной подложке 2 n-типа GaAs выращивали гетероструктуру 1 на основе соединений InGaAs, следующего состава:
первый эмиттер 24 n-типа Al_0,31Ga_0,69As, толщиной 2,0 мкм;
активный слой 10, состоящий из следующей последовательности подслоев: нелегированного волноводного подслоя из Al_0,17Ga_0,83As, толщиной 0,09 мкм, барьерного подслоя GaAs, толщиной 6,0·10^-3 мкм, активного подслоя из In_0,2Ga_0,8As, толщиной 7,0·10^-3 мкм, и далее барьерного, активного, вновь барьерного и нелегированного волнового подслоев указанной выше толщины и состава;
второй эмиттер 23 p-типа Al_0,31Ga_0,69As, толщиной 1,5 мкм;
контактный слой 25 из легированного p-типа GaAs, толщиной 0,3 мкм.

Гетероструктура 1 со слоями указанного состава обеспечивает эффективную генерацию лазерного излучения для длины волны λ ≈ 980 нм .

В гетероструктуре 1 методами планарной технологии и ионно-химического травления были одновременно сформированы ПАОГ 5 для задающего лазера 3, полосковая волноводная область (ПВО) предусилителя 14 и оптический усилитель 4, состоящий из РОУ 8 и ПОУ 15 в виде линейки усиления 20, состоящей из шести ячеек усиления 19, разделенных выемками 16.

На обеих сторонах ПАОГ 5 задающего лазера 3 были сформированы РВО 7 в виде дифракционных решеток второго порядка. Длина РВО 7 с торцевой стороны равна 400, а с противоположной стороны - 75 мкм. Период дифракционных решеток определялся известным образом [26] и был равен 0,29 мкм. Ширина ПАОГ 5 и предусилителя 14 были выбраны одинаковыми и равными 3,0 мкм, а их длины соответственно равны 1,0 мм (с учетом двух РВО 7) и 0,3 мм.

Начальная ширина РОУ 8 была равна ширине ПВО предусилителя 14, т.е. 3,0 мкм, угол расширения РОУ 8 был равен 0,1 рад, длина расширяемой части 1,0 мм, а максимальная ширина расширяемой части 1,0 мм, а максимальная ширина расширения равна 100 мкм. Линейка усиления 20 выполнена той же ширины 100 мкм, что и ячейки усиления 19, длина каждой из которых была равна 0,5 мм.

Общая длина сформированного ИПЛУ на полупроводниковой гетероструктуре 1 с шестью ячейками усиления 19 в одной линейкой усиления 20 составила 5,3 мм.

Смесь выемок 16 было вытравлено методом ионно-химического травления. Первая из них была помещена в конце РОУ 8 и начале ПОУ 15, а остальные - через 0,5 мм в конце каждой ячейки усиления 19. Выемки 16 сформированы так, что их ребра на поверхности гетероструктуры были направлены перпендикулярно боковым поверхностям линейки усиления 20 с высокой точностью, обеспечиваемой методами фотолитографии (т.е. угол Ψ = π/2 ). Они были огранены двумя гранями, пересекающимися в глубине гетероструктуры 1. Угол наклона зеркально полированных фронтальных граней - отражателей 17 всех выемок 16 был выдержан в пределах [ [(π/4) ± 0,01] ] рад по отношению к нормали к слоям гетероструктуры 1. Особых требований к другим, противоположным граням выемок 16 не предъявлялось.

Для определения глубины расположения выемок 16 из решений волновых уравнений с соответствующими граничными условиями для вышеуказанных толщин и составов (а именно, их значений показателей преломления) слоев гетероструктуры 1 было найдено распределение интенсивности излучения для моды нулевого порядка I(x) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1 (см. фиг. 3). Глубина x₀ расположения выемок 16 найдена из условия, что поток излучения для этой моды, протекающей под выемкой 16, составляет 10% от полного потока излучения моды через гетероструктуру 1.

Из расчетов получено, что дно выемки 16 должно быть расположено на глубине x₀ = 2,22 мкм от верхней границы контактного слоя 25 гетероструктуры 1. Экспериментально глубина выемок 16 получена в пределах 2,20-2,30 мкм, при этом дно выемки 16 углублено в слой эмиттера 24, граничащий с подложкой 2, на примерно 0,33 мкм от активного слоя (из расчетов получено значение 0,34 мкм).

Экспериментально была получена достаточно малая ширина дна выемки 16 (примерно 1,5 мкм). Поэтому можно не учитывать при расчетах потери излучения при прохождении его под дном выемки 16.

На расстояниях (5±2) мкм по всему периметру от сформированных активных элементов прибора: задающего мастер-лазера 3, РОУ 8 и ячеек усиления 19 полосковой области усиления 15 были вытравлены канавки 21 и 22 на глубину всей совокупности слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Ширина вытравленных канавок составила (6±1) мкм. Угол наклона граней вытравленных канавок 21 и 22, смежных с интегральными элементами устройства, был выполнен равным (1,0±0,1) рад. Вытравленные канавки 21 и 22 были заполнены германием, имеющим коэффициент поглощения излучения более 10⁴ см^-1 для длин волн меньше (980±5) нм.

Далее известными методами были созданы омические контакты 11, 12 и 13, на p- и n-стороны полупроводниковой пластины прибора. Слои металлов омических контактов 11 со стороны p⁺-GaAs контактного слоя 25 на поверхности гетероструктуры 1 для задающего лазера 3, слои металлических контактов 12 для предусилителя 14 и РОУ 8, а также для каждой ячейки 19 полосковой области - линейки усиления 20 были выполнены изолированными друг от друга, иначе автономными. Общий омический контакт 13 на подложку 2 был нанесен после ее утонения при общей толщине подложки 2 и гетероструктуры 1, равной 100 мкм.

Для вывода излучения через подложку 2 металлические слои омического контакта 13, расположенные непосредственно под выемками 16, удаляли, а вместо них наносили многослойные диэлектрические просветляющие покрытия 9, коэффициент отражения которых не превышал 0,1%.

Далее методом скрайбирования пластины разделяли на кристаллы. Габаритный размер кристалла со сформированными в них задающим лазером 3 и оптическим усилителем 4 с предусилителем 14 был выполнен равным 1,0·6,0 мм.

Далее кристаллы p-стороной вниз напаивали на металлизированную пластину из синтетического алмаза, обладающего высокой теплопроводностью. Металлизация пластины алмаза и монтаж кристалла на нее осуществляли таким образом, чтобы можно было обеспечить автономную подачу электрического питания для задающего лазера 3, предусилителя 14 вместе с РОУ 8 и для каждой из шести ячеек усиления 19. Со стороны n-типа подложки 2 припаивали тонкую металлическую рамку с прорезями в местах вывода излучения.

Пластину алмаза с кристаллом устанавливали на термоохлаждающее устройство. Для обеспечения работы устройства металлический вывод от подложки 2 подсоединяли к минусу источника питания, а плюс источника питания подсоединяли к полосковым контактам задающего лазера 3, предусилителю 14 вместе с РОУ 8 и к каждой ячейке усиления 19 в отдельности. Источник питания обеспечивал разность потенциалов на гетероструктуре питания обеспечивал разность потенциалов на гетероструктуре 1 в пределах 1,5-2,2 В. При этом контролировали протекание тока через задающий лазер 3 в пределах 20-150 мА, а через оптический усилитель 4 с предусилителем 14 - в пределах 1-10 А. Точность установления токов здесь и ниже была не хуже ±5%.

В задающем лазере 3 при токе 120 мА была получена одночастотная генерация малой мощности до 50 мВт. Через оптический предусилитель 14 и РОУ 8 пропускали ток, равный 1,4 А, а через каждую из ячеек усиления 19 - по 1 А.

Значения выводимых плотностей мощности были измерены под каждой выемкой 16 в отдельности. Среднее значение выводимой мощности, приходящееся на одну ячейку усиления 19 составило 0,85 Вт. Общая выходная мощность была получена равной 6,0 Вт. Для указанных здесь и ниже измерений мощностей излучения точность измерения была не хуже 20%.

Измеренная длина волны излучения ИПЛУ была равной (985,4±0,1) нм. Ширина спектральной линии излучения при этом составила менее 0,1 нм. Это ее значение ограничивалось разрешением используемого для измерений спектрометра. Результаты этих измерений свидетельствовали об одночастотном режиме работы ИПЛУ.

Расходимость выходного излучения в направлении вдоль длины линейки усиления 20 в каждом луче из шести выемок 16 вблизи подложки 2 находились в пределах 0,42-0,43 рад, а в направлениях поперечных к длине линейки усиления 20 для каждого из лучей в пределах 11-12 мрад, что близко к дифракционно ограниченному пределу расходимости, при размере тела свечения 100 мкм. Здесь и ниже измерялись углы расходимости излучения на уровне 0,5 от максимального значения мощности.

Измерения дальнего поля излучения, проведенные на расстоянии 4,0 м, при подстройке токов в пределах от 30 мА через указанные выше автономные контакты 12 показали, что вследствие фазированного сложения лучей суммарная расходимость излучения для направления вдоль длины линейки усиления 20 уменьшалось примерно в число складываемых лучей (7 лучей) до значения порядка 60 мрад. В приведенных здесь и ниже расходимостей излучения точность их измерений была не лучше 15%.

Пример 2. Выбрав за основу конструкцию ИПЛУ примера 1 нами были опробованы другие варианты изготовления и размещения областей, прозрачных для выводимого излучения 18, выемок с отражателями 17 и поверхностей вывода 30 излучения.

Пример 2.1. Угол Ψ наклона выемки 16 был выбран равным (3^o±0,10^o), при этом угол ϕ наклона отражателей был выбран равным (42±0,05)^o.

Пример 2.2. В многослойной гетероструктуре был выращен просветляющий полупроводниковый слой 30 состава Al_0,15Ga_0,85As, толщиной 0,072 мкм (см. фиг. 5). Коэффициент преломления этого слоя равен 3,486, а углы Ψ и ϕ соответствовали указанным углам в примере 1.

Выводы по примерам 2.1-2.2.

Результаты измеренных энергетических и пространственно спектральных характеристик ИПЛУ для вариантов 2.1-2.2 были очень близки собой и результатами, приведенными в примере 1. Главное отличие состояло в различии уровней максимальных выходных мощностей генерации, при которых еще поддерживается одномодовый режим генерации и сохраняется дифракционная расходимость выходного излучения каждого выходного луча. Соответственно, для ИПЛУ примеров 2.1 и 2.2 измеренные максимально достигаемые мощности при сохранении пространство спектральных характеристик были равны: 3,6; 2,8 Вт.

Кроме того, если для варианта по примеру 2.2, в соответствии с фиг. 5, выходное излучение было направлено перпендикулярно к поверхности подложки 2, то для варианта примера 2.1, выходное излучение было направлено под углом δ = 22° . при этом получено, что выход излучения находился в области, смещенной по отношению к плоскости нормального поперечного сечения, проходящего через отражатель 17.

При возможной реализации ИПЛУ, изображенных на фиг. 7, 8 на основе конструкции и при режимах работы, описанных в примере 1, а также соответствующей регулировкой токов через автономные контакты 12 предусилителей 14 и ячеек усиления 19, могли бы быть получены следующие результаты. В конструкциях ИПЛУ в соответствии с фиг. 7 ("змейка") и фиг. 8 ("решетка") можно предположить, что величины выходных мощностей могут быть порядка 100 Вт при ожидаемой расходимости излучения в дальнем поле для направления вдоль линеек усиления 20 порядок 60-65 мрад, а в перпендикулярном ему направлении - порядка 1,0 мрад. Это было бы свидетельством одномодовости отдельных выходящих излучений из ячеек усиления 19 и их фазированного сложения в дальнем поле.

Сравнение характеристик ИПЛУ (устройства прототипа [11] и предложенного нами) показало, что ИПЛУ, предлагаемый настоящим изобретением, имеет ряд неоспоримых и значительных преимуществ.

В настоящее время нам не известно совмещение средств вывода и ввода излучения в одном узле, размещенных определенным образом внутри усиливающей среды и выполненных в виде определенных, предложенных нами (описываемых выше) конфигураций, которые позволили бы реализовать поставленную нами задачу в малогабаритном интегральном устройстве.

Вследствие этого стало возможным вывод излучения через торцевую грань [11] заменить на многократное число выводов излучения через поверхность. При этом достигнуты выходные мощности излучения ИПЛУ примерно в n-раз больше, чем в прототипе, где n - число ячеек усиления ИПЛУ. На примерах показано, что n может иметь значение примерно 100. Реально, для больших размеров ИПЛУ можно получить n ≈ 1000 и более.

Важным и новым является то, что поскольку в предложенном ИПЛУ реализован по существу режим усиливаемой бегущей волны одночастотного излучения при ее регулярном "сбросе" через поверхность ПОУ 15, то выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей 17 выемок 16, например, при токовой подстройке ячеек усиления 19 являются сфазированными между собой и их когерентное сложение в дальнем поле обеспечивает не только указанные выше высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее ( относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излучения в каждом из двух направлений (вдоль линейки усиления 20 и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений.

Следовательно, только вся заявленная совокупность признаков изобретения является новой, обладающей изобретательским уровнем и промышленно применимой, и позволяет решить поставленную техническую задачу: увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода.

Источники информации
1. Реклама фирмы McDonnell Douglas Corp. на решетки лазерных диодов серии B4500, 1994.

2. Патент США 4716568, H 01 S 3/04, 372/36, 1987.

3. Патент США 5311536, H 01 S 3/19, 372/50, 1994.

4. Патент США 5253263, H 01 S 3/19, 372-45, 1993.

5. Патент США 5365533, H 01 S 3/045, 372-36, 1994.

6. Патент США 5159603, H 01 S 3/19, 372-45, 1992.

7. Патент США 5365537, H 01 S 3/19, 372-50, 1994.

8. B. Groussin, F. Pitard, A. Parent and C. Carriere, Electronics Letters, 1993, V. 29, N 4, p. 370 - 372.

9. J.P. Donnelly, W.D. Goodhue et al., IEEE Photonics Technology Letters (1993), V. 5, N 7, p. 747 - 750.

10. Ellections Letters (1992), V. 28, N 21, p. 2011 - 2012.

11. Патент США 5003550, H 01 S 3/19, 372-50, 1991.

12. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, V. 29, N 6, p. 2052 - 2057.

13. IEEE Photonics Technology Letters, 1993, V. 5, N 3, p. 297 - 300.

14. Патент РФ 2035103, H 01 S 3/19, 1993.

15. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, V. 29, N 6, p. 1936 - 1942.

16. Х. Кейси, М. Паниш, Лазеры на гетероструктурах, т.1, гл.2, 1982
17. Патент США 5260822, H 01 S 3/19, 1993.

18. А.А. Вайнштейн. Электромагнитные волны. М.: Сов. Радио, 1988, параграф 98.

19. IEEE Photonics Technology Letters, (August 1993), V. 7, N 8, p. 899 - 901.

20. J. S. Osinski, D. Mehuys et al., IEEE Photonics Technology Letters, (1994), V. 6, N 10, p. 1185 - 1187.

21. Европейский патент 0411145 A1, H 01 S 3/18, 1990.

22. J. Electr. Mater., 1990, V. 19, N 5, p. 463 - 469.

23. Hondbook of Semiconductor Laser and Photonic integrated circuits, edited by Y. Sucmadsu and A.R. Adoms, London, 1994, p. 510 - 514.

24. Hondbook of Semiconductor Laser and Photonic integrated circuits, edited by Y. Sucmadsu and A.R. Adoms, London, 1994, p. 503 - 510.

25. J. Electr. Mater., 1990, V. 19, N 5, p. 463 - 469.

26. Hondbook of Semiconductor Laser and Photonic integrated circuits, edited by Y. Sucmadsu and A.R. Adoms, London, 1994, p. 510 - 515.

Формула изобретения

1. Интегральный полупроводниковый лазер-усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнены задающий лазер с полосковой активной областью генерации шириной b, оптический резонатор, отражатели, оптический усилитель, содержащий расширяемую область усиления от ширины b до ширины F, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления паразитных излучений, причем полосковая активная область генерации и расширяемая область усиления оптически взаимосвязаны, отличающийся тем, что в задающем лазере полосковая активная область генерации по крайней мере одна в оптическом усилителе расширяемая область усиления по крайней мере одна и выполнена длиной, меньшей длины оптического усилителя, дополнительно введена полосковая область усиления шириной f, соединенная с расширяемой областью усиления через первое средство вывода излучения и состоящая по крайней мере из одной ячейки усиления, составляющей по крайней мере одну линейку усиления, ячейка усиления ограничена с противопложной стороны аналогичным первому средством вывода излучения, каждое из данных средств вывода выполнено в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению к входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки, при этом введен угол Ψ, образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемый в диапазоне
(π/2)-arcsin(1/n) < Ψ < (π/2)+arcsin(1/n),
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а также введен угол ϕ, образованный нормалью, мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемый в диапазоне
(1/2)arcsin(1/n) < ϕ < (π/2)-(1/2)arcsin(1/n),
дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,95 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке выбрано обратно пропорциональным потоку энергии P_вх, далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства, отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из отражателей оптического резонатора задающего лазера выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговского зеркала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражатель задающего лазера выполнены в виде распределенной обратной связи.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в оптическом усилителе в усиливающей области, содержащей расширяемую область усиления, начиная от входа до начала расширения, выполнена полосковая часть области усиления шириной b.

5. Устройство по одному из пп. 1- 4, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре между подложкой и прилегающим к нему эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны, эВ, превышающую отношение 1,24 к длине волны, мкм, генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5 - 100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в введенном слое.

6. Устройство по одному из п.1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол Ψ выбран равным π/2, а угол ϕ выбран равным π/4.
7. Устройство по одному из пп.1 - 6, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения задающего лазера, распространяющегося во время работы устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоев эмиттера и прилегающего к нему полупроводникового слоя.

8. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол Ψ для которого выбран равным π/2, и при выборе угла ϕ, меньшим π/4, угол ε задан соотношением
n sin{ε-[(π/2)-2ϕ]} = sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

9. Устройство по одному из пп. 1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол Ψ для которого выбран равным π/2, и при выборе угла ϕ, большим π/4, угол ε задан соотношением
n sin{ε-[2ϕ-(π/2)]} = sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

10. Устройство по одному из пп.1 - 9, отличающееся тем, что средства подавления паразитных излучений выполнены в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны боковых границ активных областей излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых паразитных излучений и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значений не более, чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в канавки введен материал, поглощающий излучение.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что поглощающим излучением материалом выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны, эВ, не более отношения 1,24 к длине волны, мкм, излучения задающего лазера, распространяющего во время работы устройства, а ширина, мкм, канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающего по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающего внешние боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления.

14. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что сформировано по крайней мере две идентичные, параллельно расположенные последовательности полосковой активной области генерации, усиливающей области, содержащей по крайней мере расширяемую область усиления, и линейки усиления, причем полосковые активные области генерации помещены на расстояниях, превышающих оптическое взаимодействие между ними, и ограничены едиными отражателями с каждой стороны соответственно, а средства подавления паразитных излучений расположены по крайней мере между боковых сторон полосковых активных областей генерации и в виде единой области со стороны всех конечных линеек усиления.

15. Устройство по одному из пп.1 - 13, отличающееся тем, что по крайней мере на одной ячейке усиления сформирован автономный омический контакт.

16. Устройство по пп.4 и 14, отличающееся тем, что на полосковых частях каждой области усиления, содержащей расширяемую область усиления, сформированы автономные омические контакты.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что по крайней мере на одной ячейке усиления каждой линейки усиления сформированы автономные омические контакты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8