Полупроводниковый лазер

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно, одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения высокой мощности, которые применяются для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра. Сущность изобретения: в устройстве полупроводникового лазера, состоящем из полосковой активной области генерации с отражателями оптического резонатора, например, типа Фабри-Перо, выводы излучения распределены по поверхности ПАОГ в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателями на обеих ее гранях и прозрачной для вывода излучения области, расположенной на пути отраженных выводимых сигналов, обеспечивающих не только вывод части генерируемого излучения, но и прохождение оставшейся ее части для дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инжекционным током области. Кроме того, за счет различных вариантов исполнения тех же выемок стало возможным получением приборов с составным резонатором, а также лазеров, работающих в режиме синхронизации мод. 22 з.в.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источникам излучения высокой мощности, которые применяются 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 и для накачки твердотельных и волоконных лазеров.

Известен ряд типов полупроводниковых лазеров, обладающих одномодовым и/или одночастотным выходным излучением с дифракционно ограниченной расходимостью. Как правило, это полосковые полупроводниковые лазеры с резонатором Фабри-Перо, в которых за счет специальных конструкций активной области лазера реализуются условия существования одной, обычно нулевой, пространственной моды выходного излучения [1].

Основным фундаментальным ограничением преимущественного существования нулевой моды является ограничение ширины полосковой активной области генерации (ПАОГ). С увеличением ширины ПАОГ более 3-4 мкм резко возрастает конкуренция со стороны мод высокого порядка и контроль одномодового режима становится практически невозможным. Простое увеличение длины резонатора L в указанных лазерах лишь ухудшает ситуацию, так как при этом уменьшается КПД лазера.

Замена оптического резонатора Фабри-Перо на резонатор с распределенными брегговскими отражателями (РБО), способствует возбуждению одной продольной частоты генерации (одночастотный режим), но не препятствует переходу на многомодовый режим при превышении указанной выше ширины активной области полупроводникового лазера.

Ввиду того, что в полупроводниковом лазере существует предельная мощность разрушения поверхностей зеркал, равная примерно 10⁷ Вт/см², выходная мощность от одномодовых лазеров для указанной выше ширины активной области обычно не превышает 0,1 - 0,2 Вт в непрерывном режиме генерации [2].

В приборе, описываемом в работе [1] за счет точного подбора и контроля параметров диэлектрического волновода удалось достигнуть увеличения его ширины до 6-7 мкм и получить от одномодового полоскового полупроводникового лазера рекордные значения выходной мощности до 0,6 Вт.

В последние годы за счет использования специальной интегральной интегральной конструкции полупроводникового лазера типа лазер-усилитель [3] удалось увеличить апертуру полупроводникового лазера до 200-250 мкм, а выходную мощность в одной моде до 2 - 3 Вт.

Известны также мощные многоэлементные лазеры, такие как лазерные линейки и решетки с торцевым [4] и поверхностным излучением [5]. Однако всем им присущ один существенный недостаток - они не обладают одномодовым режимом генерации и, следовательно, дифракционно ограниченной расходимостью излучения.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является полупроводниковый лазер, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнена полосковая активная область генерации, оптический резонатор, отражатели, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления бокового суперлюминисцентного излучения [2].

Далее пояснены основные особенности конструкции такого полупроводникового лазера. Он выполнен в многослойной гетероструктуре, расположенной на подложке. Тонкий активный слой расположен между полупроводниковыми слоями с более широкой запрещенной зоной (эмиттерами) и является центральной частью диэлектрического волновода, в котором распространяется усиливаемое стимулированное излучение.

Оптический резонатор Фабри-Перо образован скалыванием пластины с гетероструктурой, при этом полученные отражатели перпендикулярны к плоскости активного слоя. Для формирования волновода, в котором возможно распространение только пространственной моды нулевого порядка с дифракционно ограниченной расходимостью излучения в гетероструктуре сформирована полосковая активная область генерации (ПАОГ) с контролируемой шириной полоска (обычно не более 3 -5 мкм) и контролируемой разностью эффективных показателей преломления для распространяющейся моды под полоском и вне его (обычно эта разность (3-8)10^-3. Конструктивно это обеспечено изготовлением ПАОГ в виде мезаполоски, с обеих сторон которой вытравлены слои гетероструктуры со стороны ее поверхности, не доходя до активного слоя 0,1 - 0,2 мкм. На боковые области мезаполоски и вытравленную поверхность нанесен диэлектрический изолирующий слой. Омические контакты нанесены на поверхность мезаполоски и на всю поверхность подложки соответственно.

Средством вывода излучения из полупроводникового лазера служат отражатели, заданный коэффициент отражения (пропускания) которых устанавливается путем нанесения соответствующих многослойных диэлектрических покрытий. Нежелательные потери, связанные с боковым суперлюминесцентным излучением, значительно снижаются с помощью средств их подавления. Таковыми являются ненакачиваемые током боковые области вне полоска и диффузионно рассеивающие излучение боковые грани полупроводниковой пластины полупроводникового лазера.

Основным недостатком известной конструкции полупроводникового лазера [2] является то, что выходная мощность при его работе в одномодовом режиме генерации ограничена значениями, как указывалось выше, обычно 0,1 -0,2 Вт [2], в лучшем случае для оптимизированной конструкции 0,6 Вт [1]. Увеличение ширины полосковой области свыше 4 - 6 мкм могло бы привести к увеличению выходной мощности, но из-за резко возрастающей конкуренции мод приводит к многомодовому режиму работы полупроводникового лазера со всеми его недостатками, которые, в первую очередь, ухудшают пространственно спектральные характеристики лазера. Это принципиальное ограничение.

Увеличение длины резонатора известного полупроводникового лазера не приводит к увеличению выходной мощности в одной моде, более того эффективность (КПД) работы такого лазера с увеличением его длины снижается.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины генерации излучения в оптическом резонаторе полупроводникового лазера при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а именно непрерывного, импульсного и режима синхронизации мод, 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 излучения полупроводникового лазера и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен полупроводниковый лазер, в котором в полосковой активной области генерации сформированы по крайней мере две ячейки генерации, составляющие по крайней мере одну линейку генерации лазерного излучения, ячейки ограничены по крайней мере с одной стороны средством вывода излучения, выполненным в виде дополнительно введенными выемкой с двумя отражателями и областью, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатели помещены на наклонных поверхностях выемки, при этом введен угол , образованный направление ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой активной области генерации, выбираемой в диапазоне (/2)-arcsin(1/n)<<(/2)+arcsin(1/n) , где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также по крайней мере для одного отражателя выемки введен угол , образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью указанного отражателя выемки с нормалью к поверхности указанного отражателя выемки, выбираемый в диапазоне (1/2)arcsin(1/n)<<(/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 генерации, 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 0,99 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области генерации, 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, введена поверхность вывода излучения по крайней мере одной стороной примыкающая к внешней выводной поверхности.

Для снижения нежелательных потерь в полупроводниковом лазере предложен вариант, при котором оба отражателя оптического резонатора выполнены с коэффициентом отражения, близким к 100%.

Для получения конструкции полупроводникового лазера с составным(и) резонатором(ами) предложено по крайней мере в одной из выемок, плоскость одного из ее отражателей помещать перпендикулярно к плоскости активного слоя, а угол выбрать равным /2.

Для обеспечения не только одномодового, но и одночастотного режима работы устройства возможны различные варианты выполнения отражателей оптического резонатора лазера: один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговского зеркала; оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде распределенных брегговских зеркал.

Предложены варианты конструкции полупроводникового лазера, которые могут быть легко интегрированы в фотонные интегральные схемы. В таких случаях один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде перпендикулярно расположенного к плоскости активного слоя отражателя выемки, который направлен своей отражающей стороной к другому отражателю оптического резонатора.

оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде перпендикулярно расположенных к плоскости активного слоя отражателей двух выемок и их отражающие плоскости направлены навстречу друг другу.

Как варианты получения режима синхронизации мод полупроводникового лазера, при котором лазер генерирует с определенной периодичностью сверхкороткие импульсы излучения, предложено по крайней мере на поверхности одной из ячеек генерации со стороны гетероструктуры удалять омический контакт;
по крайней мере в одной из ячеек генерации удалять контактный полупроводниковый слой.

Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки предложены различные варианты:
на поверхностях вывода излучения нанесены антиотражающие покрытия;
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 генерации лазерного излучения, 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;
в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ), 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.

Перпендикулярный к плоскости активного слоя гетероструктуры (к плоскости подложки, в случае их параллельности) полупроводниковой пластины вывод отраженных от отражателей выемок лучей обеспечивают варианты:
в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол выбран равным /2 , , а угол выбран равным /4 ,;
в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2 , , и при выборе угла меньшим /4 угол задан соотношением
nsin{-[(/2)-2]} = sin ,
где
n -показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения;
в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2 , и при выборе угла большим /4 угол задан соотношением
nsin{-[2-(/2)]} = sin ,
где
n -показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Для снижения потерь в полупроводниковом лазере, связанных с наличием нежелательных боковых суперлюминесцентных излучений (особенно эти потери могут быть значительны для конструкции полупроводникового лазера, образующего двумерную поверхность генерации лазерного излучения) предложены возможные варианты средств их подавления:
средства подавления бокового суперлюминесцентного излучения выполнены в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны по крайней мере одной из боковых границ полосковых активных областей генерации излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых суперлюминесцентных 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;
в канавки введен материал, поглощающий излучение;
поглощающим излучение материалом выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяющегося во время работы устройства, при этом ширина канавок выбрана по крайне мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

Для достижения более высокой плотности расположения областей излучения в одном 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.

Линейки генерации могут быть выполнены различной конфигурации:
полосковая активная область генерации выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения, 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 активной области генерации указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой активной области генерации с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления боковых суперлюминесцентных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части одной из боковых сторон линеек генерации;
по крайней мере для трех последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения отражатель оптического резонатора в начале первой и в конце последней линейки генерации выполнен единым.

Предложены также различные "решетки" генерации:
по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг к другу и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптических резонаторов;
по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг другу на расстояниях оптического взаимодействия и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптического резонатора.

Для первого варианта предложенной решетки для осуществления фазированности выходного излучения в каждой линейке генерации по крайней мере для одной из ее ячеек генерации, сформирован автономный омический контакт.

В ряде случаев для подержания когерентности излучения при большой длине линеек генерации либо на больших площадях последовательно расположенных линеек по крайней мере на одной ячейке усиления следует формировать автономный омический контакт.

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

Впервые неочевидным путем осуществлен вывод части генерируемого излучения из полупроводникового лазера при помощи предложенных дискретно распределенных внутри оптического резонатора средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с двумя отражателями в каждой, и областей, прозрачной для выводимого излучения. Оставшаяся часть генерируемого излучения в оптическом резонаторе полупроводникового лазера обеспечивает не только инверсную населенность в нем, но и является тем фактором, который определяет принадлежность многочисленных лучей, излучающих с поверхности полупроводникового лазера к одной и той же волноводной моде, распространяющейся в многолучевом полупроводниковом лазере.

Нами реализована конструкция интегрального многолучевого полупроводникового лазера, которая за счет увеличенной площади тел свечения и достигнутого повышения во много раз эффективной длины генерации излучения в оптическом резонаторе позволяет значительно увеличить выходную мощность излучения, сохраняя при этом один и тот же спектральный состав для каждого из выходных лучей и обеспечивая возможность их фазированного сложения за счет регулировки тока накачки ячеек генерации. При этом наблюдалось снижение астигматизма суммарного излучения от всей излучающей области полупроводникового лазера.

Кроме того, варьирование размеров выемок, а также введение других модификаций элементов полупроводникового лазера, приводящих к созданию областей поглощения лазерного излучения внутри полосковой активной области генерации, позволило в предложенных конструкциях полупроводникового лазера реализовать его работу в режиме синхронизации мод, т.е. в режиме генерации сверхскоростных импульсов.

При этом все предложенные модификации элементов полупроводникового лазера не нарушают единства общего изобретательского замысла.

Настоящее изобретение будет более понятно из фиг.1-5.

На фиг.1 схематически изображен вид сверху конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо; на фиг.2 - продольный разрез А-А предлагаемого полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо; на фиг.3 - вид сверху конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с РБО; на фиг. 4 - фрагменты с одной и двумя выемками, содержащими отражатель, перпендикулярно расположенный к плоскости активного слоя; на фиг. 6 - фрагмент двух последовательно расположенных смежных линеек генерации с поворотным отражателем; на фиг. 7, 8 - конструкции предлагаемого полупроводникового лазера с двумерной интегральной полосковой областью усиления различной топологии: с последовательно расположенными линейками генерации и одним отражателем оптического резонатора (фиг. 7); с параллельно расположенными равновеликими линейками генерации, ограниченными двумя отражателями оптических резонаторов (фиг.8).

Предложенное устройство полупроводникового лазера (см. фиг.1,2) состоит из гетероструктуры 1, расположенной на подложке 2 и содержащей активный слой 3. на продольном разрезе А-А гетероструктуры 1 и подложки 2 полупроводникового лазера (см. фиг.2) показано, что гетероструктура 1 состоит из активного слоя 3, двух окружающих его эмиттеров 4 и 5 и контактного полупроводникового слоя 6, помещенного на эмиттере 5 со стороны, противоположной расположению подложки 2.

Активный слой 3 в реальных гетероструктурах 1, в частности, с напряженными квантоворазмерными подслоями, описываемыми, например, в работе [6], может включать несколько квантоворазмерных активных подслоев с разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих с эмиттерами 4 и 5, соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

В гетероструктуре сформирована ПАОГ 7, расположенная между отражателями 8 оптического резонатора 9. В случае, изображенном на фиг.1, оптическим резонатором является резонатор Фабри-Перо, а отражателями 8 служат зеркальные грани полупроводникового кристалла с нанесенными на них многослойными отражающими диэлектрическими покрытиями 10 и с коэффициентом отражения, близким к 100%. ПАОГ 7 разделена на ячейки генерации 11. Это разделение осуществляется формируемыми в ПАОГ 7 выемками 12 с двумя отражателями 13, помещенными на наклонных гранях каждой выемки 12 и служащими для отражения усиливаемого и генерируемого лазерного излучения. Отражателями 13 могут являться также многослойные отражающие диэлектрические покрытия 10. Кроме того, желательно, чтобы грани выемки были покрыты упрочняющими защитными покрытиями 14. В данном случае, изображенном на фиг.1, 2, углы выбраны равными /2 , а углы равными /4 . Выемки 12 находятся на равных расстояниях друг от друга, что определяет равные длины ячеек генерации 11, за исключением первой и последней, граничащих со 100% отражателями 8 оптического резонатора 9 и имеющие в два раза меньшую длину по сравнению с остальными ячейками 11.

В случае, изображенном на фиг. 2, на пути выхода отраженных от отражателей 12 выемок 12 излучений между ближайшим к подложке 2 эмиттером 4 и самой подложкой 2 расположен просветляющий полупроводниковый слой 15 толщиной, равной четверти длины волны генерации данного лазера. Просветляющие свойства слоя 15 определяются выполнением условия - n₁₅ = Nn₄n₂, где n₁₅, n₄, n₂ -показатели преломления четвертьволнового просветляющего слоя 15, эмиттера 4 и подложки 2 соответственно. В местах выхода излучений из подложки 2 сформированы поверхности вывода излучения 16. На поверхностях ПАОГ 7 и подложки сформированы омические контакты 17 и 18 соответственно. На поверхностях вывода излучения омический контакт 18 удален и нанесено антиотражающее покрытие 19.

На фиг.3 изображены распределенные бреговские отражатели (РБО) 20 оптического резонатора 9.

На фиг. 6 изображены поворотные отражатели 21, помещенные на поворотной ячейке генерации 22, соединяющей две смежные линейки генерации 23, которые состоят из ячеек генерации 11, использованные для создания двумерной интегральной ПАОГ 7, а также изображены области подавления суперлюминесцентного излучения 24.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При присоединении питающих напряжений к омическим контактам 17 и 18 (см. фиг.1,2) и протекании токов инжекции через ПАОГ 7 гетероструктуры 1, превышающих пороговые токи генерации, в объеме ПАОГ7 полупроводникового лазера, ограниченной оптическим резонатором 9, известным образом возникает распространяющееся от одного отражателя 8 оптического резонатора 9 к другому отражателю 8 и обратно электромагнитный поток лазерного излучения. Если в прототипе вывод излучения осуществляется через зеркальные грани резонатора, одна из которых по крайней мере имеет коэффициент отражения R, меньший единицы, то в предложенном устройстве оба отражателя 8 могут быть практически 100% отражающими R1 = R2 = 1, а вывод осуществляется через поверхность прибора с помощью специально введенных, дискретно распределенных на поверхности гетероструктуры 1 по длине оптического резонатора 9 средств вывода излучения, состоящих из выемок 12 с отражателями 13 на наклонных гранях выемок 12 и областей, прозрачных для выводимого излучения, содержащих, в том числе, поверхности вывода излучения 16.

Для конфигурации выемок 12 с углами = /2 и = /4 (см. фиг.2) излучение будет отражаться от отражателей 13 выемок 12 под прямыми углами в направлении подложки 2. Вывод излучения будет перпендикулярен в случае плоской поверхности вывода излучения 16, расположенной параллельно плоскостям слоев гетероструктуры 1 и подложки 2 (см. фиг.2).

На пути выходящих лазерных лучей, испытывающих полное внутреннее отражение от отражателей 13 выемки 12 в большинстве практических случаев следует предусмотреть возможно малое их поглощение и обратное отражение. Это обеспечивается удалением омических контактов 18 и нанесением антиотражающих покрытий 19 в местах падения лучей, т.е. на поверхности вывода излучения 16, а также введением четвертьволнового просветляющего полупроводникового слоя 15.

Для случая, когда длина волны генерации полупроводникового лазера (мкм) < 1,24/Eg, где E_g (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена 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 (мкм) > 1,24/(E_g+) , где E_g (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, причем следует выбирать не менее 0,1 эВ.

Одной из отличительных особенностей средств вывода излучения - выемок 12 в сравнении, например, с конструкцией поверхностных лазерных решеток, описываемых в работе [5], является то, что путем отражения от отражателей 13 выемки 12 из ПАОГ 7 выводится не весь поток стимулированного излучения, распространяющийся в каждом из дух встречных направлений вдоль ПАОГ 7, а лишь его часть. Оставшаяся часть излучения ниже дна выемки 12 переходит в соседнюю ячейку генерации 11, где она захватывается его волноводом и вновь усиливается, а после усиления в конце этой ячейки генерации 11 часть усиленного излучения вновь отражается от следующего отражателя 13, снова выводится, а часть вновь под дном выемки 12 переходит в следующую ячейку генерации 11 и таким образом процесс повторяется до достижения излучения грани отражателя 13 оптического резонатора 9. После отражения излучения от последнего указанный процесс повторяется, но уже при распространении излучения в обратном направлении.

Глубина расположения выемки 12 может быть определена величиной той относительной доли потока излучения, которая проходит в соседнюю ячейку генерации 11 и степенью полного усиления в следующей ячейке 11. На фиг.3 на продольном разрезе, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1, показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 3 пространственной моды излучения. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 3, вдоль оптической оси симметрии, а опадающие хвосты распределения захватят эмиттеры 4 и 5.

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, [7]). Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки 12 через сечение, нормальной к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен фиг.2)
kP_o = kI(x)dx = I(x)dx ,
где
P₀ -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 12 должно быть отдалено от поверхности контактного слоя 6 или, что тоже самое, от поверхности гетероструктуры 1. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирают в диапазоне (0,99-0,001)P₀.

Указанный диапазон изменения k может быть также обоснован известными данными [8] 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 допустимо/пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателями 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 11 доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя 13 выемки 12, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке 11 было обратно пропорционально величине P_вх.

Нами экспериментально было определено и подтверждено расчетами что для уменьшения боковых суперлюминесцентных излучений средства подавления бокового суперлюминесцентного излучения 24 желательно выполнять в виде канавок глубиной, не менее глубины расположения слоев гетероструктуры 1, со стороны по крайней мере одной из боковых границ ПАОГ 7, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых суперлюминесцентных 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.

Как вариант в канавки может быть введен материал, поглощающий излучение, причем поглощающим излучение материалом может быть выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (зВ) не более отношения 1,24 длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, при этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

В рассмотренном варианте устройства (см. фиг.2), как было сказано выше, выемки были помещены под углом = /2 , оба отражателя имели одинаковый наклон при = /4 . Однако в общем случае выемки могут быть направлены под углом , выбираемом в диапазоне
(/2)-arcsin(1/n) << (/2)+arcsin(1/n) ,
где
n - показатель преломления области, прозрачный для выводимого излучения, а отражатели могут быть наклонены под разными углами, но при выполнении условия, что хотя бы один из них будет наклонен под углом , который следует, как определено нами, выбирать в диапазоне
(1/2)arcsin(1/n) << (/2)-(1/2)arcsin(1/n) ,
При этом выходные лучи лазерного излучения будут наклонены от нормали к слоям гетероструктуры 1 (подложки 2). Например, в случае = /2 в зависимости от угла угол наклона лучей к плоскости слоев гетероструктуры 1 (подложки 2) будет равен

Обеспечить перпендикулярность вывода излучения по отношению к слоям гетероструктуры 1 (подложки 2) при углах =/2 и /4 позволяет выбор определенного угла наклона плоской поверхности вывода излучения 16 к плоскости слоев гетероструктуры 1 (см. фиг. 6). Было выяснено, что для < /4 угол задан соотношением
n sin{-[(/2)-2]} = sin
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а для угла > /4 угол задан соотношением
n sin{-[2-(/2)]} = sin ,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения. При этом значительно снижены потери при выводе излучений через область, прозрачную для излучения.

В варианте, при котором определенное количество выемок (при k = P_вх/P₀) имеет один из отражателей, помещенный перпендикулярно к плоскости слоев ПАОГ 7 и плоскости активного слоя = /2 , фактически реализована конструкция полупроводникового лазера, известного как "полупроводниковый лазер с составным резонатором" [7], но, естественно, с особенностями предлагаемого нами прибора. На фиг. 4 показано как с помощью такой выемки можно создать конструкцию полупроводникового лазера с составным резонатором, в котором указанная выемка расположена от отражателей оптического резонатора на заданных расстояниях.

Как известно, в таких лазерах с составным резонатором осуществляется генерация на той частоте, для которой собственные частоты составных резонаторов совпадают.

Преимущество варианта предложенного полупроводникового лазера с составным резонатором состоит в том, что, в сравнении с известным [7], в предложенном нами практически очень малы потери оптических связей между его различными составными резонаторами и, как следствие этого, число составных резонаторов, входящих в общий оптический резонатор 9 может быть несравненно больше, чем для известных [7]. Последнее дает возможность получения одночастотной генерации с более узкой шириной спектральной линии.

Замена оптического резонатора 9 Фабри-Перо с плоскими зеркалами (см. фиг. 1, 2) на оптический резонатор 9 с PBO 20 (см. фиг. 3) также приводит к тому, что в полупроводниковом лазере осуществляется генерация на той длине волны (частоте), которая попадает в ту узкую полосу длин волн селективного PBO 20, которая, в свою очередь, для заданной гетероструктуры 1 определяется шагом решетки дифракционных отражателей 20. Другими словами, в таком полупроводниковом лазере возможен одночастотный режим генерации лазерного излучения.

Рассмотрим варианты полупроводникового лазера, в которых один или оба традиционных отражателей оптического резонатора заменены на выемки средств вывода излучения, в которых плоскость одного из отражателей выемки помещена под углом = /2 и перпендикулярна к плоскости активного слоя. При этом, в случае наличия одного традиционного отражателя оптического резонатора, перпендикулярно расположенный отражатель выемки направлен своей отражающей стороной к указанному отражателю оптического резонатора, а, в случае отсутствия обоих традиционных отражателей оптического резонатора, отражающие плоскости указанных выемок направлены навстречу друг другу (см. фиг. 5). При такой конструкции образован "внутренний" оптический резонатор Фабри-Перо (на фиг. 5 он обозначен сверху фигурной скобкой).

Оба варианта обладают тем достоинством, что в таких конструкциях полупроводникового лазера ввод излучения может быть осуществлен не только через поверхность, но и через полосковые волноводы с усилением лазерного излучения или без него, в одну из сторон, или в обе стороны от внутреннего оптического резонатора Фабри-Перо, в том числе и составного.

Такие полупроводниковые лазеры могут быть органично интегрированы в фотонные интегральные схемы. Ограничение, связанное с трудностью введения излучения от полупроводникового лазера со скольными зеркалами в другие элементы фотонных интегральных схем, здесь снимается. Примеры ряда фотонных интегральных схем и важность проблемы оптических межсоединений в них, особенно для полупроводникового лазера, хорошо изложены, в частности, в [9].

В предложенных конструкциях полупроводниковых лазеров может быть также реализован достаточно изученный к настоящему времени режим синхронизации мод [10] , при котором генерируются мощные сверхкороткие импульсы излучения, период следования T которых определяется длиной резонатора L : T = 2n^*L/c, где c - скорость света, а n^* - эффективный показатель преломления для распространяемой моды излучения. Нами определено, что наличие ненакачиваемой выемки 12, выполняемой необходимых и достаточных размеров, известных из литературы [10] , позволяет в устройстве создать просветляющийся под воздействием излучения поглощающий участок. Также для решения той же задачи достаточно в ПАОГ 7 устройства на одной или нескольких ячейках генерации 11 удалить омический контакт 17, и/или удалить контактный слой 6. При этом будет введен просветляющийся под воздействием излучения поглощающий участок и реализован режим синхронизации мод.

В отличие от известных лазеров, для которых частота генерации сверхкоротких импульсов лежит в трудно регистрируемых диапазонах примерно 10¹¹ Гц, для предлагаемого полупроводникового лазера за счет значительного увеличения длины резонатора эта частота может находится в привычном диапазоне - десятки и сотни мегагерц.

Применение поворотных отражателей 21 на стыке двух линеек генерации 23 (см. фиг. 6, 7) приводит к тому, что распространяющееся по волноводу модовое лазерное излучение при падении на поворотный отражатель 21 меняет направление на заданный угол. Это позволяет прямолинейную (одномерную) конфигурацию линейки генерации 23 преобразовать в двумерную площадку заданной конфигурации. Это, в свою очередь, увеличивает эффективную длину генерации полупроводникового лазера, а следовательно, и выходную мощность излучения. В конструкции полупроводникового лазера, за счет встроенных поворотных отражателей 21, фрагментарно изображенных на фиг. 6, конфигурация излучающей площадки имеет вид "змейки", которая может содержать большое количество линеек генерации 23 (вплоть до нескольких тысяч и более), каждая из которых по отношению к предшествующей повернута на угол /2 , а отражатель 8 оптического резонатора 9 Фабри-Перо (так же как и отражатель 8 с РВО 20) для первой и последней линейки генерации 23 может быть выполнен единым.

Между каждой парой линеек генерации 23 или через несколько пар линеек генерации в данной конструкции полупроводникового лазера для исключения нежелательных оптических взаимодействий могут быть введены поглощающие или рассеивающие излучение канавки 24.

Конструкцию двумерной излучающей площадки в предложенных вариантах полупроводникового лазера можно также получить, расположив заданное число идентичных линеек генерации 23 параллельно друг другу на определенных расстояниях между собой и ограничитель их с каждой из сторон едиными отражателями 8 (см. фиг. 8). Для таких "решеток" из линеек генерации 23 возможны различные варианты их функционирования по степени фазирования излучения между линейками 23, входящими в такую "решетку".

Если боковые расстояния между линейками генерации 23 превышают расстояние оптического взаимодействия (обычно более 5 - 10 мкм) или между линейками генерации 23 введены поглощающие или рассеивающие излучение канавки 24, то когерентной связи между линейками 23, составляющими "решетку", не будет.

Для обеспечения когерентной связи между линейками, в предложенных "решетках" генерации возможны два варианта
в одном из них когерентная связь между линейками 23 осуществляется за счет оптического взаимодействия между спадающими полями излучений каждой соседней пары линеек генерации 23 при их близком расположении, обычно менее 1 - 2 мкм (см., например, [11]);
в другом варианте фазировка излучения между линейками генерации 23 осуществляется введением в каждую из линеек 23 контроллеров фазы, которые для данной конструкции полупроводникового лазера представляют автономные омические контакты, созданные на одной, нескольких или части ячейки генерации 11, а в общем случае на каждой ячейке генерации 11.

Контролируется отдельно в каждой линейке 23 ток через автономные контакты, можно управлять концентрацией инжектирования носителей в данных ячейках генерации 11, а следовательно, и показателем преломления и соответственно изменением оптической длины в любой ячейке генерации 11. Иными словами, введение контроллеров позволяет осуществлять фазировку излучения не только между линейками 23, входящими в "решетку" и находящимися на расстояниях, больших оптического взаимодействия между ними, но и между ячейками генерации 11 в линейках генерации 23 в случае необходимости. Такая необходимость может возникнуть при возможных неоднородностях в оптических длинах ячеек генерации 11, связанных, например, с градиентом температуры в устройстве. Демонстрация такой возможности фазирования излучения с помощью подобных контроллеров фазы была выполнена для лазер-усилителей в работе [12]. Временной контроль фазы с использованием компьютерного управления позволит в принципе осуществлять не только фазировку, но и сканирование выходящего излучения во времени.

Для высококачественных гетероструктур 1, близких к идеальным, выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей 13 выемок 12 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 23 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 генерации 23 друг к другу. Наиболее простой является токовая подстройка. В ряде случаев возможна токовая подстройка только одной ячейки 22 в линейке 23, но может возникнуть необходимость подстройки каждой ячейки 22. В этом случае для получения сфазированного излучения требуется автономное исполнение омических контактных слоев 17 к каждой из ячеек генерации 22.

Введенные автономные контакты и управляющие током через них позволяют, наряду со сказанным выше, осуществлять также перестройку длины волны генерируемого излучения. Наибольший эффект, в частности значительный диапазон перестройки, может быть получен 0для конструкций предложенного полупроводникового лазера, у которых один из отражателей выемок перпендикулярен к плоскости активного слоя [13].

Введение описываемой нами ранее ПАОГ 7 с оригинальными средствами вывода генерируемого лазерного излучения из ее объема позволяет существенным образом, на несколько порядков увеличить реальную длину оптического резонатора 9 полупроводникового лазера, которая может превышать многие сантиметры и даже метры, что, как нам известно, не решено в настоящее время. Реальная длина оптических резонаторов 9 известных полупроводниковых лазеров в большинстве известных практических случаях достигает нескольких миллиметров. При этом в конструкциях предложенного полупроводникового лазера, в отличие от известных, отражатели 8 оптического резонатора 9 могут быть выполнены полностью отражающими. Плотность и расположение введенных нами средств вывода излучения, так же как и их количество вместе с введенными автономными контактами для ячеек генерации 11 может варьироваться в широком диапазоне значений. Средства подавления боковых суперлюминесцентных излучений 24, вводимых в необходимых случаях, также ограничено связаны с конструктивными особенностями средств вывода излучения. Все сказанное позволяет сделать вывод о наличии новизны и изобретательского уровня данного предложения.

Анализируя существенные отличительные признаки предлагаемого полупроводникового лазера в сравнении с известными в настоящее время техническими решениями можно выделить его главные достоинства.

Возможность получения сверхвысоких уровней мощности излучения в многолучевом полупроводниковом лазере при сохранении одномодового и/или одночастотного режима работы. По сравнению с максимальным уровнем выходной мощности, достигнутым в настоящее время в одномодовом режиме для лазер-усилителей [3], это увеличение может составлять десятки, сотни и более раз в зависимости от числа средств вывода излучений в конкретной конструкции предлагаемого лазера.

Возможность достижения сверхвысоких плотностей выходной мощности излучения. В сравнении с лучшими образцами мощных многоэлементных лазеров типа лазерных решеток, описываемых в работах [5, 6], эта плотность мощности может быть превышена более чем на порядок, что объясняется большей плотностью излучающих выемок и улучшенным отводом тепла в предложенном полупроводниковом лазере.

Возможность получения значительного сужения диаграммы направленности в дальнем поле. Это связано с тем, что выводимые излучения из предложенных устройств полупроводникового лазера являются усиленными излучениями одной и той же распространяющейся волноводной моды в закрытом оптическом резонаторе. Фазировка выводимых излучений между собой за счет токовой подстройки ячеек генерации при сложении отдельных излучений в дальнем поле уменьшит расходимость суммарного излучения в предложенном полупроводниковом лазере, которая в сравнении с дифракционно ограниченной расходимостью одномодового излучения от лазера-прототипа (т.е. единичной областью вывода излучения через торец) может быть уменьшена в число выемок для каждого из взаимно перпендикулярных направлений излучающей площадки полупроводникового лазера.

Большое значение предельной мощности разрушения, что связано с тем, что выводная поверхность в отличие от полупроводниковых лазеров с торцевым излучением полностью прозрачна для выводимого излучения. Это обстоятельство почти на порядок может повысить его предельную мощность разрушения.

Конструкция предложенного полупроводникового лазера обладает низким тепловым сопротивлением, что обусловлено тем, что при установке гетероструктуры 1 на охлаждаемую теплоотводящую пластину, активный слой, который критичен к повышению температуры, может быть расположен в непосредственной близости (менее 2 - 3 мкм) от поверхности теплоотвода.

Технологический процесс изготовления предложенного полупроводникового лазера относительно прост, не требует трудоемких ручных монтажных операций, которые имеют место при сборке многоярусовых лазерных решеток на основе лазерных полупроводниковых линеек с торцевым излучением. Все процессы изготовления достаточно разработаны к настоящему времени, например технологии изготовления напряженных квантово размерных гетероструктур [1] и мезаполосковых активных областей [14], технологии травления выемок под различными углами к гетероструктуре [15], технологии изготовления травленного зеркала [16], технологии изготовления РБО [17] и т.д. Это все обеспечит промышленную применимость изобретения.

Таким образом, можно сделать вывод, что только вся неочевидная совокупность указанных существенных признаков, обладающая новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью позволила решить: увеличение эффективной длины генерации излучения в оптическом резонаторе полупроводникового лазера при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение одномодовой и/или одночастотной выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а именно, непрерывного, импульсного и режима синхронизации мод, 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 областей излучения полупроводникового лазера и повышение эффективности теплоотвода.

Примеры конкретного исполнения
Пример 1. Предложенный полупроводниковый лазер с поверхностным излучением (см. фиг.1, 2) с одной линейкой генерации лазерного излучения был изготовлен следующим образом.

На полированной подложке 2 n-типа GaAs выращивали гетероструктуру 1 на основе соединений InCaAs и AlGaAs, следующего состава:
первый эмиттер 4 n-типа Al_0,31Ga_0,69As, толщиной 2,0 мкм;
активный слой 3, состоящий из следующей последовательности подслоев: нелегированного волноводного подслоя из Al_0,17Ga_0,83As, толщиной 0,09 мкм, барьерного подслоя GaAs, толщиной 6,010^-3 мкм, активного подслоя из In_0,2Ga_0,8As, толщиной 7,010^-3 мкм, и далее барьерного, активного, вновь барьерного и нелегированного волноводного подслоев указанной выше толщины и состава;
второй эмиттер 5 p-типа Al_0,31Ga_0,69As, толщиной 1,5 мкм;
контактный слой 6 из легированного p-типа GaAs, толщиной 0,3 мкм.

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

Дополнительно в гетероструктуре 1 между подложкой 2 и эмиттером 4 выращивался просветляющий слой 15 состава Al_0,15Ga_0,85As толщиной 0,0072 мкм.

В гетероструктуре 1 методами планарной технологии и ионно-химического травления была одновременно сформирована ПАОГ 7 линейки генерации 23 лазерного излучения, состоящая из 29 равновеликих внутренних ячеек генерации 11 длиной 100 мкм и двух крайних, примыкающих к отражателям 8 оптического резонатора 9 Фабри-Перо и имеющих длину в два раза меньшую по сравнению с внутренними ячейками 11 - 50 мкм. Все ячейки 11 разделены 30-ью выемками 12. ПАОГ 7 была выполнена известными методами [13] в виде мезаполоски [2], ширина которой была выбрана равной 3,0 мкм, а ее полная длина - 3,0 мм. Зеркальные отражатели 8 оптического резонатора 9 с многослойными диэлектрическими отражающими покрытиями 10 имели коэффициент отражения R = 99,8%.

Выемки были сформированы перпендикулярно боковым поверхностям ПАОГ 7. Они были огранены двумя гранями, пересекающимися в глубине гетероструктуры 1. Угол наклона двух зеркально полированных фронтальных граней - отражателей 13 всех выемок 12 был выдержан в пределах = [(/4)0,01]рад по отношению к слоям гетероструктуры 1. Угол наклона выемки 12 по отношению к боковым сторонам ПАОГ 7 был выбран = [(/2)0,01]рад. . Расположение дна выемки 12 экспериментально выбиралось совпадающим с активным слоем 3 гетероструктуры 1. В этом случае в пределах точностей измерений ( 0,1 мкм) x₀ = 1,90-2,00 мкм, k = 0,5.

На поверхность ячеек 11 ПАОГ 7 был нанесен известный омический контакт 17 из Zn/Ni/Mo/Ni/Au (к p-типу проводимости) [18[, а на подложку 2 - омические контакты 18 из Au/Ge/Ni/Au (к n-типу проводимости) [18], причем на поверхностях вывода излучения 16, расположенных под выемками 12 омические контакты 18 были удалены и нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия с R 0,1%.

Все технологические операции были осуществлены известными опробованными методами (см., например, [1, 14 - 18]) на серийных установках.

Далее методом скрайбирования пластины разделяли на кристаллы. Габаритный размер кристалла полупроводникового лазера был выполнен равным (1,0 3,0) мм.

Далее кристаллы p-сторонной вниз напаивали на металлическую пластину из сплава медь-вольфрам, обладающего хорошей теплопроводностью и коэффициентом термического расширения (КТР), близким к КТР арсенида галлия. Со стороны n-типа подложки 2 припаивали тонкую металлическую рамку с прорезями в местах вывода излучения.

Пластину с кристаллом устанавливали на охлаждающее устройство. Для обеспечения работы устройства металлический вывод от подложки 2 подсоединяли к минусу источника питания, а плюс источника питания подсоединяли к металлической пластине Cu-W. Источник питания обеспечивал разность потенциалов на гетероструктуре 1 в пределах (1,50-2,20) вольта. Точность установления токов здесь и ниже была не хуже 5%.

При протекании постоянного тока через линейку генерации 23 равного 2,0 А суммарная выходная мощность лазерного излучения составила 2,1 Вт, что в среднем соответствует прмерно 35 мВт на один отражатель 13 линейки генерации 23. Для указанных здесь и ниже мощностей излучений точность измерения была равна не хуже 20%.

Измеренная длина волны излучения была равной (983,70,1) нм. Ширина спектральной линии на уровне половинной мощности составила при этом 1,6 нм.

Измеренная расходимость выходного излучения в направлении, перпендикулярном к длине линейки генерации 23, находилась в пределах 0,33-0,35 рад, что свидетельствовало об одномодовом режиме генерации. Измеренная расходимость выходного излучения в направлении, параллельном к длине линейки генерации 23, получена равной 0,40-0,44 рад, что свидетельствовало об отсутствии фазированного сложения лучей. Для приведенных здесь и ниже значений расходимостей излучения точность их измерений была равной не хуже 15%.

Выбрав за основу конструкцию прибора в соответствии с примером 1 нами были опробованы другие варианты полупроводникового лазера.

Пример 2. Полупроводниковый лазер выполнен аналогично прибору по примеру 1 и отличается от него тем, что зеркальные отражатели 8 оптического резонатора 9 Фабри-Перо заменены на РБО 20 (см. фиг.3), изготовленные известными способами [16]. РБО 20 выполнены по торцевым сторонам линейки генерации 23, со стороны крайних ячеек генерации 11 в виде дифракционно отражающих решеток 2-го порядка. РБО 20 имели одинаковые длины, равные 500 мкм. Период дифракционных решеток определялся известным образом и для длины волны 980 нм был равен 0,29 мкм. Ширина решеток выполнена равной ширине ПАОГ 7, а именно 3,0 мкм.

Результаты измерений характеристик такого полупроводникового лазера были по всем измеренным параметрам близки к параметрам прибора по примеру 1 за одним исключением: полупроводниковый лазер с РБО работал в режиме одночастотной генерации, длина волны излучения была равна (9780,1) нм, ширина спектральной линии излучения при этом составила менее 0,1 нм, которая ограничивалась разрешением используемого оптического спектроанализатора.

Пример 3. Полупроводниковый лазер (см. фиг.8) представляет собой двумерную поверхностную "решетку" генерации. Он изготовлен в виде 300 равновеликих линеек генерации 23 лазерного излучения, расположенных параллельно друг другу и ограниченных с каждой стороны едиными отражателями 8, формирующими для каждой линейки генерации 23 индивидуальный оптический резонатор 9 Фабри-Перо. Шаг линейки генерации 23 был равен 10 мкм, при ширине ПАОГ, равной 3,0 мкм. Расстояние между накачиваемыми током мезаполосками было равно 7 мкм, что обеспечивало отсутствие оптического взаимодействия. Активные кристаллы размером 34 были напаяны на тонкую металлизированную пластинку из искусственного алмаза, съем тепла от которой обеспечивался проточной жидкостью.

Все результаты измерений характеристик данного полупроводникового лазера, кроме выходной мощности, были схожи с параметрами прибора по примеру 1.

Минимальная выходная мощность излучения в непрерывном режиме, ограниченная конкретными возможностями отвода тепла, при полном токе через "решетку" генерации 40 A, была достигнута равной примерно 36 Вт.

В импульсном режиме при длительности импульса 120 мкс, частоте их следования 100 Гц и амплитуде импульсов тока 135,0 A выходная мощность была достигнута равной 150,0 Вт.

Полученные результаты и проведенные нами исследования показали, что предложенный полупроводниковый лазер имеет ряд неоспоримых и значительных преимуществ.

В настоящее время нам не известно совмещение средств вывода лазерного излучения из одной ячейки генерации и его ввода в соседнюю ячейку генерации в одном узле, размещенных определенным, предложенным нами, образом внутри генерирующей 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 [2] заменить на многократное число выводов излучения через поверхность. Это позволяет в десятки и сотни раз увеличить выходные мощности излучения полупроводникового лазера. В принципе ее возможно увеличить в число сформированных ячеек генерации, которое может составлять десятки тысяч и более.

Важным и новым является также то, что в предложенном полупроводниковом лазере реализован по существу режим генерируемой бегущей волны одночастотного и/или одномодового излучения при ее регулярном сбросе через поверхность полупроводникового лазера.

Выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей выемок, например, при токовой подстройке ячеек генерации являются 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. Так, например, для гетероструктуры примера 1 при автономности омических контактных слоев 17 и при регулировке тока через каждую ячейку в пределах до 30 мА, расходимость излучения в дальнем поле вдоль длины линейки генерации находилась бы в пределах 7 - 8 мрад, что свидетельствовало бы о наличии фазированного сложения выходных лучей.

Сравнение характеристик предложенного полупроводникового лазера с параметрами устройства - прототипа [2] показало, что как в непрерывном, так и в импульсном режимах могут быть увеличены выходная мощность одномодового и/или одночастотного излучений более чем на порядок, эффективная длина генерации более чем в сотни и тысяч раз. На том же приборе может быть получен режим синхронизации мод, при котором следование коротких импульсов находится в диапазоне десятков мегагерц. Технологический цикл изготовления прибора усложнен незначительно, использованы известные, опробованные технологические процессы. Конструкция прибора позволяет отводить большие тепловые потоки от ПАОГ.

Следовательно, вся заявленная совокупность признаков изобретения является новой, обладающей изобретательским уровнем, промышленно применимой и позволяет решить поставленную нами техническую задачу.

Источники информации
1. IEEE J. of Quantum Eltctronics 1993, v. 29, N 6, p. 1889-1894.

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

3. IEEE J. of Quantum Electronics 1993, v. 29, N 6, p. 2052-2057.

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

5. Ellectronics Letters, 1992, v. 28, N 21, p. 3011-3012/
6. Ellectronics Letters, 1983, v. 19, p. 488-490/
7. Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах, т. 1, гл. 3, 1981.

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

9. Peter Vasil'ev, Ultrafast Diode Lasers, Artech Hause, Boston-London, 1995, p. 53-73.

10. Appl. Phys. Lett., 1991, v. 59, N 18, p. 2210-2212.

11. IEEE Photonics Technology Letters, 1994, v. 6, N 10, p. 1185-1187.

12. Appl. Phys, Lett., 1983, v. 42, p. 650 - 653.

13. Hondbook of Semiconductor Laser and Photonic intergrated circuits, edited by Y.Sucmadsu and A.R.Adoms, London, 1994, p. 343-344,
14. J. Electr. Mater., 1990, v.19, N 5, p. 463-469.

15. IEEE Photonics Technology Letters, 1995, v. 7, N 8, p. 899-901.

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

17. Квантовая электроника, 1992, т. 9 N 10, c. 1024-1031.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый лазер, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, в которой выполнена полосковая активная область генерации, оптический резонатор, отражатели, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями, средство подавления бокового суперлюминесцентного излучения, отличающийся тем, что в полосковой активной области генерации сформированы по крайней мере две ячейки генерации, составляющие по крайней мере одну линейку генерации лазерного излучения, ячейки ограничены по крайней мере с одной стороны средством вывода излучения, выполненным в виде дополнительно введенных выемки с двумя отражателями и областью, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатели помещены на наклонных поверхностях выемки, при этом введен угол , образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой активной области генерации, выбираемый в диапазоне
(/2)-arcsin(1/n)<<(/2)+arcsin(1/n),
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а также по крайней мере для одного отражателя выемки введен угол , образованный нормалью, мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью указанного отражателя выемки с нормалью к поверхности указанного отражателя выемки, выбираемый в диапазоне
(1/2)arcsin(1/n)<<(/2)-(1/2)arcsin(1/n),
дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии Р_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки генерации, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии Р_вх выбран в диапазоне 0,99 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области генерации, а полное усиление в указанной ячейке выбрано обратно пропорциональным потоку энергии Р_вх, далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства, отраженного от отражателя выемки излучения, введена поверхность вывода излучения, по крайней мере одной стороной примыкающая к внешней выводной поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба отражателя оптического резонатора выполнены с коэффициентом отражения, близким к 100%.

3. Устройство по пп. 1 или 2, отличающееся тем, что по крайней мере в одной из выемок плоскость одного из ее отражателей помещена перпендикулярно к плоскости активного слоя, а угол выбран равным /2.
4. Устройство по пп.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде зеркальной грани, а второй отражатель выполнен в виде распределенного брегговокого зеркала.

5. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде распределенных брегговских зеркал.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что один из отражателей оптического резонатора выполнен в виде перпендикулярно расположенного к плоскости активного слоя отражателя выемки, который направлен своей отражающей стороной к другому отражателю оптического резонатора.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оба отражателя оптического резонатора выполнены в виде перпендикулярно расположенных к плоскости активного слоя отражателей двух выемок и их отражающие плоскости направлены навстречу друг другу.

8. Устройство по одному пп.1 - 7, отличающееся тем, что по крайней мере на поверхности одной из ячеек генерации со стороны гетероструктуры удален омический контакт.

9. Устройство по одному из пп.1 - 8, отличающееся тем, что на поверхностях вывода излучения нанесены антиотражающие покрытия.

10. Устройство по одному из пп.1 - 9, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и ближайшим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны генерации лазерного излучения, 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.

11. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре 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 5 - 100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в введенном слое.

12. Устройство по одному из пп.1 - 11, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол выбран равным /2, а угол выбран равным /4.
13. Устройство по одному из пп.1 - 11, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2, и при выборе угла , меньшим /4, угол задан соотношением
nsin{-[(/2)-2]} = sin,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

14. Устройство по одному из пп.1 - 11, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол для которого выбран равным /2, и при выборе угла , большим /4, угол задан соотношением
nsin{-[2-(/2)]} = sin,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

15. Устройство по пп.1 - 14, отличающееся тем, что средство подавления бокового суперлюминесцентного излучения выполнены в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры, со стороны по крайней мере одной из боковых границ полосковых активных областей генерации излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых суперлюминесцентных 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.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что в канавки введен материал, поглощающий излучение.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что поглощающим излучение материалом выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны, эВ, не более отношения 1,24 к длине волны, мкм, генерации лазерного излучения, распространяющегося 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.

18. Устройство по одному из пп.1 - 17, отличающееся тем, что полосковая активная область генерации выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающегося по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающего внешние боковые стороны полосковой активной области генерации указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой активной области генерации с ее внешними боковыми сторонами, а средство подавления боковых суперлюминесцентных излучений дополнительно размещены, по крайней мере вдоль части одной из боковых сторон линеек генерации.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что по крайней мере для трех последовательно расположенных линеек генерации лазерного излучения отражатель оптического резонатора в начале первой и в конце последней линейки генерации выполнен единым.

20. Устройство по одному из пп.1 - 19, отличающееся тем, что по крайней мере на одной ячейке усиления сформирован автономный омический контакт.

21. Устройство по одному из пп.1 - 17, отличающееся тем, что по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг другу и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптических резонаторов.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в каждой линейке генерации по крайней мере для одной из ее ячеек генерации сформирован автономный омический контакт.

23. Устройство по одному из пп.1 - 14, отличающееся тем, что по крайней мере две равновеликих линейки генерации лазерного излучения расположены параллельно друг другу на расстояниях оптического взаимодействия и ограничены с каждой стороны едиными отражателями оптического резонатора.

РИСУНКИ

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