CN101133530A - 异质结构、注入式激光器、半导体放大元件及半导体光放大器 - Google Patents

异质结构、注入式激光器、半导体放大元件及半导体光放大器 Download PDF

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Abstract

异质结构用于形成半导体注入式发射源、注入式激光器、半导体放大元件、半导体光放大器，其用在光纤通信和数据传输系统、光超高速计算和开关系统、医疗设备的开发、激光工业设备、倍频激光器中，以及用于充能固态和光纤激光器和放大器。提出了异质结构，注入式激光器、半导体放大元件、以及半导体光放大器，其本质特征在于异质结构的有源层和漏入区的改进、以及在形成从有源层泄露的可控发射的瞬态区域中提供注入式激光器、半导体放大元件、以及半导体光放大器的高效功能的异质结构层的位置、组分、折射率和厚度的组合选择。

Description

异质结构、注入式激光器、半导体放大元件及半导体光放大器
技术领域
本发明涉及量子电子工程的关键部件，即，涉及基于半导体化合物的异质结构、注入式激光器、半导体放大元件、以及半导体光放大器。
背景技术
异质结构是用于制造高效、大功率和紧凑的具有窄远场模式的半导体注入式发射源(下文称作“IES”)的基础元件。
具有窄远场模式的泄露发射的半导体IES的异质结构是已知的[专利4063189 US，1977，H01S 3/19 331/94.5]，[专利2142665 RU，10.08.1998，H01S3/19]。
从解决技术问题的立场来看，在[专利2197049 RU，V.I.Shveikin，Russia，18.02.2002，H01S 5/32]中提出了一种示例性异质结构。所述异质结构的原型基于半导体化合物并至少包括：一个至少由一个子层(sublayer)组成的有源层；被制成透明的用于漏入到所述漏入区(leak-in region)中的发射的漏入区，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区为至少一个；漏入区具有至少一个由至少一个子层组成的漏入层。所述异质结构的特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比。而且，在异质结构中，至少将至少两个反射层额外设置在有源层的每一侧上，所述反射层具有小于neff的折射率并由至少一个子层形成。漏入区位于有源层和相应的反射层之间。在所述漏入区中形成两个附加层，即：邻近有源层表面的漏入区的约束层，所述约束层由至少一个子层形成，由具有超过有源层带隙的带隙的半导体形成；以及邻近约束层表面的漏入区的调整层，所述调整层由至少一个子层形成。此外，漏入层位于漏入区中。在从一个负增量(delta)到一个正增量的范围内确定neff与nIN的比，其中，增量是比1小得多的量值。
原型异质结构具有许多显著的优点。简化了制造技术；在基于具有泄露发射的该异质结构的IES的操作过程中，获得近似垂直于劈开的光面(optical facet)空腔的发射输出；增加了输出发射功率；增大了垂直面中发射区的面积，并且相应地，减小了发射的角偏向。同时，所述异质结构限制了可能获得的基于其制造的IES的较高能量和空间特性。
具有泄露发射和具有窄远场模式的注入式激光器是已知的[专利4063189 US，1977，H01S 3/19，331/94.5 H]，[专利2142665 RU，10.08.1998，H01S 3/19]。
从技术性质和解决技术问题的立场来看，在[专利2197048 RU，V.I.Shveikin，Russia，18.02.2002，7 H01S 5/32]中提出了示例性原型注入式激光器。所述原型注入式激光器包括基于半导体化合物的异质结构。所述异质结构包括至少一个由至少一个子层组成的有源层和被制成透明的用于漏入到所述漏入区中的发射的漏入区，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个由至少一个子层组成的漏入层。所述异质结构的特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比。除异质结构以外，原型注入式激光器还包括光面、反射体、欧姆接触、以及光学谐振器，其中，其介质的至少一部分是由漏入区的至少一部分以及有源层的至少一部分制成。在所述异质结构中，至少将至少两个反射层额外设置在有源层的每一侧上，所述反射层具有小于neff的折射率，并由至少一个子层形成。漏入区位于有源层和相应的反射层之间。在所述漏入区中形成两个附加层，即：邻近有源层表面的漏入区的约束层，约束层由至少一个子层形成，由具有超过有源层带隙的带隙的半导体制成；以及邻近约束层表面的漏入区的调整层，调整层由至少一个子层形成。此外，所述漏入层位于所述漏入区中，其中，所述反射层的至少一部分用作光学谐振器的附加介质。在从一个负增量到一个正增量的范围内确定neff与nIN的比，其中，通过比1小得多的量值确定增量。在原型注入式激光器的操作中，对于给定的过阈值(overthreshold)电流值，在由异质结构层的组分和厚度定义的有源层中限制的激光发射的强度不低于维持激光阈值所需的值。
原型注入式激光器的主要优点是激光输出功率的增大、垂直面中的发射区面积的扩大，相应地是，发射的角偏向的减小、制造注入式激光器的技术的简化、以及近似垂直于劈开的光面空腔的发射输出的实现。同时，原型注入式激光器在一定程度上限制了低激光阈值电流、以及激光发射的高效率和功率连同其好的空间特性的获得。
半导体放大元件(SAE)是已知的[Laser Focus World，September2001，pp.73-79]。
从解决技术问题的立场来看，在[专利2197047 RU，VI.Shveikin，Russia，18.02.2002，7 H01S 5/32]中提出了示例性原型半导体放大元件。所述SAE包括基于半导体化合物的异质结构，异质结构包括至少一个由至少一个子层组成的有源层以及被制成透明的用于漏入到所述漏入区中的发射的漏入区，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个由至少一个子层组成的漏入层。所述异质结构的特征在于异质结构的有效折射率neff与所述漏入层的折射率nIN的比。除异质结构以外，原型SAE还包括光面、反射体、欧姆接触、和光面上的至少一个净化膜(clarifyingfilm)。在半导体放大元件的操作中，放大发射的传播介质是所述漏入区的至少一部分和有源层的至少一部分。在所述异质结构中至少额外设置两个反射层，至少为在有源层的每一侧上。所述发射层具有小于neff的折射率并至少由一个子层形成。漏入区位于有源层和相应的反射层之间。在漏入区中形成两个附加层，即：邻近有源层表面的漏入区的约束层，约束层由至少一个子层形成并由具有超过有源层带隙的带隙的半导体制成；以及邻近约束层表面的漏入区的调整层，调整层由至少一个子层构成。此外，在漏入区中设置有漏入层。在从一个负增量到一个正增量的范围内确定neff与nIN的比，其中通过比1小得多的量值确定增量。在半导体放大元件的操作中，放大发射的附加介质是所述反射层的至少一部分，而由异质结构层的组分和厚度以及净化膜的反射系数定义的所述有源层中限制的放大发射的强度被选为低于其在自激电流的阈值密度处的量值。
原型SAE的主要优点是其制造技术的简化、近似垂直于劈开的光面的发射输出、较大的入口孔径和出口孔径、降低的噪声系数、降低的对输入主发射的灵敏度，以及小角度的发射散度。同时，原型SAE具有对输入信号不足够的灵敏度以及对小信号放大系数量值的特定限制。
半导体光放大器(SOA)是已知的[IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.11，No.9，September 1999，pp.1099-1101]。
从解决技术问题的立场来看，在[专利2197047 RU，V.I.Shveikin，Russia，18.02.2002，7 H01S 5/32]中提出了示例性原型半导体光放大器。
在[专利2197047 RU，V.I.Shveikin，Russia，18.02.2002，7 H01S5/32]中提出并在上述文献的pp.3-4中介绍了包括输入发射的光耦合主源和原型SAE的原型SOA。
SOA的主要优点是制造技术的简化、近似垂直于劈开的光面的发射输出、在近场和远场的发射分布的改进，改善的输出参数的温度依赖性。同时，原型SOA具有对输入发射的放大系数值以及对输出的放大功率的值连同发射的好的空间特性具有限制。
发明内容
本发明的技术问题是改进异质结构的设计，特别是发射的漏入区和有源层，以改进基于其制造的IES的能量和空间特性，即，产生具有改进的空间和角特性、小角度的输出发射散度、改进的温度依赖性、以及具有减小的欧姆电阻和热敏电阻和减小的机械应力级别的大功率、高效率和高可靠性的半导体注入式发射源。
本发明的技术问题是进一步减小激光阈值电流和增加注入式激光器(包括单模、单频注入式激光器)的效率、输出功率、和可靠性以及激光发射的良好空间特性，以及减小欧姆电阻和热敏电阻、减小压缩机械应力级、改善发射的近场和远场分布、改进输出参数的温度依赖性、减小发射的非线性失真，这不仅有助于获得较高的输出功率，而且有助于减小发射谱线的宽度，减小其频移，改善高频和高速调制特性。
本发明的技术问题是增加对输入信号的灵敏度和增加半导体放大元件的小信号放大的值，以及进一步减小发射的非线性失真以产生具有小角度的输出发射散度、改进的发射近场和远场分布、减小的对输入发射偏振的灵敏度、改进的温度依赖性、减小的欧姆电阻和热敏电阻、以及减小的机械应力级的大功率、高效率、高可靠性、低噪声、高频率、高孔径半导体光放大器。
本发明的技术问题是增加输入发射的放大系数和半导体光放大器(包括单模、单频(取决于输入发射的主源)半导体光放大器)的输出功率，以及放大发射的良好空间特性、效率、可靠性、以及其入口和出口孔径的大面积、减小的欧姆电阻和热敏电阻、减小的机械应力级。
本发明的一个方面是基于半导体化合物的异质结构，特征在于异质结构的折射率neff与漏入层的折射率nIN的比，即，neff与nIN的比，其在从一个正增量到一个负增量的范围内确定，其中，通过比1小得多的量值确定增量。所述异质结构包括至少一个有源层、至少两个反射层(至少为在有源层的每一侧上)；所述反射层由至少一个子层形成并具有小于异质结构的有效折射率neff的折射率。所述异质结构包含发射的漏入区(其为透明的以用于发射)。漏入区位于有源层和相应的反射层之间，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个漏入层，其具有折射率nIN并由至少一个子层组成。所述漏入区具有至少一个由至少一个子层组成的约束层。在这种情况下，将主调整层额外地引入到漏入区中，所述主调整层包括至少一个子层并且其子层中的至少一个的折射率不小于漏入区的折射率nIN，并且它的一个表面与有源层相邻，而在主调整层的相对面上具有小于主调整层的折射率的折射率的约束层。
所提出异质结构(HS)的特征在于原型HS的漏入区和有源层的改进，其中，改变了有源层的设计、调整层的位置、和漏入区中约束层的位置。所提出HS中的有源层不包含子层并且可以为至少一个。在这种情况下，当形成一个有源层时，额外引入的漏入区的主调整层的一侧与有源层相邻，而主调整层的另一侧与漏入区的约束层相邻。在这种情况下，当在HS中形成两个和更多个有源层时，在有源层之间引入具有与主调整层相同或近似特性的主中央调整层。
基于所提出的异质结构的半导体IES的功能出现在从有源层泄露的发射及其漏入到漏入区和与漏入区相邻的反射层一部分中的的瞬态过程附近。在所提出HS中的这个泄露过程由其层的组分和厚度定义并由异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比所控制。泄露过程的瞬变点是使neff与nIN的比等于1.0的量值。在电流的工作范围中，在从一个正增量到一个负增量的量值范围内确定该比值，其中，增量的量值约为0.01。注意，在操作装置的过程中，比neff/nIN随着流过HS的电流的增加而减小。
在选择比neff/nIN以及给定流过IES的电流密度的情况下，IES的效率在一定程度上依赖于有源层中发射的合成放大的值。应该理解，合成放大是在除去有源层中发射的谐振损耗和HS层中的光损耗的最终放大。
如通过计算所显示的以及通过试验数据所证实的，通过定位以及选择主调整层(或其子层)的厚度和折射率来精确实现有源层中所述合成放大的最大值。因此，被额外引入到所提出HS中的主调整层不仅被需要用于控制比neff/nIN，而且它们也使得可以实质上改善IES的能量和空间特性。
在优选实施例中，为了增加在有源层中发射的合成放大以及改善IES的能量特性，提出将至少两个有源层引入到HS中；在这两个有源层之间设置引入的主中央调整层或其子层中的一个。
对于一些HS，当增加主调整层的厚度存在限制时，最好是与漏入区中的主调整层一起，至少在其一侧上形成与约束层表面相邻的并且由至少一个子层形成的辅助调整层。
为了确保HS的有效改进，主调整层、主中央调整层、和辅助调整层用不小于漏入层折射率nIN的折射率制成，而在大约0.005μm到大约1.0μm的范围内选择所述调整层的厚度。
为了有效限制有源层中的电子和空穴从而改善温度依赖性和增加IES的效率，以在大约0.01μm到大约0.30μm的范围内选择的厚度制造约束层。
为了减小IES发射的角偏向，在大约1.0μm到10μm以上的范围内选择漏入区的漏入层的厚度，并且对于大部分与漏入层相邻的反射层的子层中的至少一个由接近漏入层折射率的折射率制成。
为了简化制造的工艺过程，在HS的一些实施例中，至少一个漏入层随着等于约束层折射率的折射率生长。
在优选实施例中，为了减小定义由所提出HS制成的IES的效率的内部光损耗，主调整层和主中央调整层在生长中不掺杂；辅助调整层(如果有的话)、漏入层、和与漏入层相邻的至少一个反射层掺杂有大约从1015cm-3到3×1017cm-3低量级的适当掺杂杂质，并且约束层掺杂有大约从1017cm-3到2×1018cm-3量级的适当掺杂杂质。
根据漏入区或漏入层的数量和位置，可制造两种主要类型的HS：对称HS和非对称HS。在对称HS中，漏入区位于有源层的每一侧并且大部分具有与所包括层相等的折射率和相等的厚度。在非对称的HS中，可以有一个位于有源层的一侧上的漏入区，大部分在n型掺杂侧上。
在优选实施例中，在提出的HS中，为了以一定的波长发射，存在选择等于或接近其上生长有异质结构的半导体基片(透明的用于发射)的组分(或折射率)的漏入层的组分(或折射率)的可能性。通常，由于基片是二元半导体化合物(例如，GaAs、InP、GaN、GaSb)并且漏入层的厚度通常构成所有HS层厚度的较大部分，所以HS中的压缩机械应力将也会显著减小，欧姆电阻和热敏电阻将会减小，这导致基于所提出HS的IES的效率、输出功率的增加以及工作寿命和可靠性的增加。
在相同的电流穿过IES时，为了通过大约两个、三个或更多个因数增加输出功率，在提出的HS中，分别形成两个、三个或更多个有源层，其空腔彼此平行；由n型和p型的两个薄的重掺杂子层组成的主中央调整层被设置在有源层之间，在IES的操作中，主中央调整层提供由一个有源层到另一个有源层的电流隧道通路。
本发明中提出的非显而易见异质结构的本质在于其漏入区和有源层的改进；这种改进包括引入到漏入区中的主调整层；而且改变了漏入区的层的位置，以及引入了不包含子层的有源层。通过适当地选择HS的层的厚度和组分以获得其主要特性中的两个(即，在达到IES发射的最好功率和空间特性时，有源层中的合成放大值和比neff/nIN的值)的最佳组合，所有这些成为可能。
上述新的改进的HS所有特征都包括在本发明中所提出的量子电子工程的许多关键有源元件中：注入式激光器、半导体放大元件、和半导体光放大器。
本发明的另一方面是包括基于半导体化合物的异质结构的注入式激光器，特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比，即，neff与nIN的比，其在从一个正增量到一个负增量的范围内确定，其中，通过比1小得多的量值确定增量。所述异质结构包含至少一个有源层、至少两个反射层(至少为在有源层的每一侧上)；所述反射层由至少一个子层形成并具有小于异质结构的有效折射率neff的折射率。所述异质结构包含发射的漏入区(其为透明的以用于发射)。漏入区位于有源层和相应的反射层之间，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个漏入层，其具有折射率nIN并由至少一个子层组成。所述漏入区具有至少一个由至少一个子层组成的约束层。注入式激光器还包括光面、反射体、欧姆接触、光学谐振器，其中，其介质的至少一部分是由漏入区的至少一部分、有源层的至少一部分、以及反射层的至少一部分制成。光学谐振器反射体的反射系数以及异质结构层的组分和厚度以这样的方式选择：对于所述注入式激光器，在其运行过程中，有源层中发射的合成放大在整个工作电流范围内足够支持激光阈值。在这种情况下，将主调整层额外引入到漏入区中，所述主调整层包括至少一个子层并且其子层中的至少一个的折射率不小于漏入层的折射率nIN，并且它的一个表面与有源层相邻，而在主调整层的相对面上具有小于主调整层折射率的折射率的约束层。在从一个正伽马(gamma)到一个负伽马的量值范围内确定激光阈值电流范围中的比值neff/nIN，其中，伽马的量值由小于增量的量值确定。
所提出的注入式激光器(下文中称作激光器)的主要特征在于HS(基于其来制造激光器)的漏入区和有源层的改进。在这种情况下，将主调整层引入漏入区，改变了漏入区的层的位置。所提出的HS中的有源层不包含子层且可以为至少一个。在形成一个有源层的情况下，额外引入的漏入区的主调整层的一侧与有源层相邻，而主调整层的另一侧与漏入区的约束层相邻。在HS中形成两个和更多个有源层的情况下，在有源层之间设置具有与主调整层相同或近似特性的主中央调整层。基于所提出的异质结构的激光器的功能出现在从有源层泄漏的发射及其漏入到漏入区的的瞬态过程附近。
特定电流值的发射的过多泄露可导致振荡猝灭。为了避免这点，选择光学谐振器的反射体的反射系数以及HS层的组分和厚度，使得为了操作激光器，有源层中发射的合成放大在整个工作电流的范围内足够维持激光阈值。
激光器HS中的泄露过程由HS激光器的组分和厚度确定，并由异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比所控制。泄露过程的瞬变点是neff与nIN的比等于1的条件。在电流的工作范围内，从一个正增量到一个负增量的量值范围内选择该比值，其中，增量的量值约为0.01。注意，在操作装置的过程中，比neff/nIN随着流过HS的电流的增加而减小。
为了获得激光器的低激光阈值电流，比neff/nIN应该从比1.01到0.99的范围窄的量值范围内选出。初始(阈值)电流区域中的比neff/nIN从直接靠近其两侧的一个量值中选出，即，从一个正伽马到一个负伽马的量值的范围中选出，其中，由小于增量的值所确定的伽马量值大约为0.005。在比neff/nIN处于所选值的情况下，激光器的激光阈值电流在一定程度上取决于有源层中发射的合成放大值。对于所提出的激光器，如通过计算所显示的和由试验数据所证实的，在1.005到0.995的范围内选定比neff/nIN的情况下，只通过定位以及通过选择主调整层的厚度和折射率实现了激光阈值的最小值。因此，不仅需要额外引入到所提出HS中的特别定位的主调整层用于控制比neff/nIN，而且它们还使得可以解决初始技术问题，首先，本质上改进激光器的功率参数(阈值电流、效率、输出功率)以及空间特性(近场中的发射分布、远场中发射的角偏向)。
在优选实施例中，为了减小激光阈值电流，提出将至少两个有源层引入到HS中；将引入的主中央调整层或其子层中的一个设置在这两个有源层之间。
对于增加主调整层的厚度存在限制的某些激光器，最好与漏入区中的主调整层一起，至少在其一侧上形成并至少由一个子层组成的与约束层的表面相邻的辅助调整层。
为了提供激光器的高功率参数和空间特性，用不小于漏入层的折射率nIN的折射率制成主调整层、主中央调整层、和辅助调整层，并且从约0.005μm到约1.0μm的范围内选择所述调整层的厚度。
为了有效地限制有源层中的电子和空穴从而改进温度依赖性和增加激光器的效率，用从大约0.01μm到大约0.30μm范围内选择的厚度制成约束层。
为了减小垂直面中发射的角偏向以及增加激光器的效率，在大约1.0μm到大约10μm以上的范围内选择漏入区的漏入层的厚度，此外，大部分与漏入层相邻的反射层的子层中的至少一个由接近漏入层折射率的折射率制成。
为了简化制造工艺过程，在激光器的一些实施例中，至少一个漏入层由等于约束层折射率的折射率制成。
在优选实施例中，为了减小定义激光器效率的内部光损耗，在生长过程中不掺杂主调整层和主中央调整层；辅助调整层(如果有的话)、漏入层、和邻近漏入层的至少一个反射层的一部分以大约1015cm-3到3×1017cm-3低量级的适当掺杂杂质进行掺杂，以及约束层以1017cm-3到3×1018cm-3量级的适当掺杂杂质进行掺杂。
根据漏入区(或漏入层)的数量和位置，可制造两种主要类型的激光器：对称激光器和非对称激光器。在对称激光器中，漏入区位于有源层的每一侧并且大部分具有与所包含层相等的折射率和相等的厚度。在非对称激光器中，漏入区可以为一个，位于有源层的一侧上，大部分在n型掺杂侧。
在优选实施例中，在所提出的激光器中，在特定波长的情况下存在选择等于或接近半导体基片(其上生长异质结构)的组分(或折射率)的漏入层的组分(或折射率)的可能性，其中，基片是透明的以用于发射。通常，由于基片是二元半导体化合物(例如，GaAs、InP、GaN、GaSb)，并且漏入层的厚度通常构成所有HS层厚度的较大部分，所以在这种情况下，压缩机械应力级将显著减小，欧姆电阻和热敏电阻将减小，这使得所提出激光器的效率、输出功率增加、以及工作寿命和可靠性的增加。
在相同的工作电流下，为了通过大约两个、三个和更多个因数增加输出功率，在所提出的激光器中分别形成两个、三个和更多个有源层，其空腔彼此平行，并且在有源层之间设置由p型和n型的两个薄的重掺杂子层组成的主中央调整层，主中央调整层在操作激光器的过程中提供从一个有源层到另一个有源层的隧道通路。
应该注意，在所提出的激光器中，导致激光束的空间不稳定并导致大功率注入式激光器中输出功率的限制的非线性失真显著减小[P.G.Eliseev，Yu.M.Popov，Kvantovaya elektronika，24，No.12(1997)，1067-1079]。这是由下列事实引起的：在所提出的激光器中，激光发射通量的大部分(约99.99％)穿过透明的漏入区(线性介质)，并且通量中非常小的部分(约0.01％以下)穿过非线性有源介质。这确定了获得高输出功率(包括单频激光)以及谱线宽度的减小、其频移的减小、所提出激光器的高频和高速调制特性的改善，这对其在现代光纤链路中和其他应用中的使用具有很大的实际重要性。
在本发明中提出的非显而易见激光器的本质在于HS的漏入区和有源层(激光器基于其而制成)的改进。在这种情况下，将邻近于不包含子层的有源层表面的额外原始定位的主调整层引入到漏入区中，并提出了主调整层和辅助调整层、约束层、漏入层及其子层、反射层及其子层的其他原始特性(位置、组分、厚度、掺杂级别)，这使得可以通过适当地选择HS层的厚度和组分来实现其两个主要特性(有源层中的合成放大和初始(阈值)电流范围内的比neff/nIN)的最佳组合，实现了激光器的最佳能量和空间特性。
本发明的另一方面是包括基于半导体化合物的半导体放大元件(下文称作SAE)，特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比，即，在从一个正增量到一个负增量的范围内确定neff与nIN的比，其中，通过比1小得多的量值确定增量。所述异质结构包含至少一个有源层、至少两个反射层(至少为在有源层的每一侧上)；所述反射层由至少一个子层形成并具有小于异质结构有效折射率neff的折射率。所述异质结构包含透明的用于发射的漏入区，其中发射漏入该漏入区中。漏入区位于有源层和相应的反射层之间，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个漏入层，其具有折射率nIN并由至少一个子层组成。所述漏入区至少具有一个由至少一个子层组成的约束层。SAE还包括光面、欧姆接触、和在一个光面上的至少一个净化膜。光面上的净化膜的反射系数以及异质结构层的组分和厚度以这种方式选择：在工作电流的整个范围内有源层中发射的合成放大的值不超过使运行半导体放大元件产生自激的所述放大的值，其中，放大发射的传播介质是漏入区的至少一部分、有源层的至少一部分、以及邻近漏入层的反射层的至少一部分。在这种情况下，将主调整层额外引入到漏入区中，所述主调整层包括至少一个子层并且其子层中的至少一个的折射率不小于漏入区的折射率nIN，并且其一个表面与有源层相邻，而在主调整层的相对面上具有小于主调整层折射率的折射率的约束层。
所提出的SAE的主要特征在于HS(基于其制造SAE)的漏入区和有源层的改进。在这种情况下，将主调整层引入到漏入区，还改变了漏入区的层的位置。所提出的HS中的有源层不包含子层并且可以为至少一个。在形成一个有源层的情况下，额外引入的漏入区的主调整层的一侧邻近有源层，而主调整层的另一侧与漏入层的约束层相邻。在形成两个和更多个有源层的情况下，在有源层之间设置具有与主调整层相同或近似特性的引入的主中央调整层。基于所提出异质结构的SAE的功能出现在从有源层到其漏入到所述漏入区的发射泄漏的瞬态过程附近。
SAE中的泄露过程由HS层的组分和厚度限定，并由异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比所控制。在工作电流的范围内，从大约1.01到大约0.99的范围内确定neff与nIN的比。
SAE对输入信号的灵敏度以及噪声级、放大系数、给定工作电流和比neff/nIN为选定值情况下的输出功率在一定程度上取决于有源层中发射的合成放大值。如通过对所提出SAE的计算所显示的，在精确选择比neff/nIN的情况下，通过定位以及通过选择主调整层(或其子层)的厚度和折射率，实现了处于一定工作电流的所述合成放大的最大值。因此，额外引入到所提出HS中的原始定位的主调整层使得可以解决技术问题，即，本质上改善SAE的主要参数(对输入信号的灵敏度、噪声级、放大系数、输出功率)以及增加入口孔径和出口孔径的大小，降低偏振灵敏度和远场中发射的角偏向。
为了稳定SAE的放大模式，光面上净化膜的反射系数以及异质结构层的组分和厚度以这种方式选择：处于工作电流的有源层中发射的合成放大值不超过导致运行半导体放大元件产生自激的所述放大值。
在优选实施例中，为了增加对输入信号的灵敏度以及增加放大系数，提出至少将两个有源层引入到HS中；在那两个有源层之间设置引入的主中央调整层或其子层中的一个。
对于增加主调整层的厚度存在限制的某些SAE，最好与漏入区中的主调整层一起，至少在其一侧上形成并至少由一个子层组成的与约束层的表面相邻的辅助调整层。
为了优化SAE的主要参数，用不小于漏入层折射率nIN的折射率制成主调整层、主中央调整层、和辅助调整层，并且从大约0.005μm到大约1.0μm的范围内选择所述调整层的厚度。
为了改善SAE参数的温度依赖性，用从大约0.01μm到大约0.30μm的范围内选择的厚度制成约束层。
为了减小噪声因数和降低SAE的放大发射的角偏向，在大约1.0μm到大约10μm以上的范围内选择漏入区的漏入层的厚度，并且用接近于漏入层折射率的折射率制成反射层的子层中的至少一个(优选地邻近于漏入层)。
为了简化制造工艺过程，在SAE的一些实施例中，漏入区中的至少一个漏入层由等于约束层折射率的折射率制成。
在优选实施例中，为了减小定义SAE效率的内部光损耗，在生长过程中不掺杂主调整层和主中央调整层，辅助调整层(如果有的话)、漏入层、和与漏入层相邻的至少一个反射层的一部分以大约1015cm-3到3×1017cm-3低量级的适当掺杂杂质进行掺杂，以及约束层以大约1017cm-3到3×1018cm-3量级的适当掺杂杂质进行掺杂。
根据漏入区(或漏入层)的数量和位置，可制造两个主要类型的SAE：对称SAE和非对称SAE。在对称SAE中，漏入区位于有源层的每一侧上并且大部分具有与所包含层相等的折射率和相等的厚度。在非对称SAE中，可有一个位于有源层的一侧上的一个漏入区，大部分位于n型掺杂侧上。
在优选实施例中，在所提出的SAE中，在特定波长的情况下，存在选择等于或接近半导体基片(其为透明的用于发射，并且异质结构在其上生长)的组分(或折射率)的漏入层的组分(或折射率)的可能性。通常，由于基片是二元半导体化合物(例如，GaAs、InP、GaN、GaSb)，并且漏入层的厚度通常构成所有HS层厚度的较大部分，所以压缩机械应力级将会显著减小，欧姆电阻和热敏电阻将减小，这使得提出的SAE的效率、输出功率的增加以及工作寿命和可靠性的增加。
在相同的工作电流的情况下，为了通过大约两个、三个和更多个因数增加放大发射的输出功率，在所提出的SAE中分别形成两个、三个、和更多个有源层，其空腔彼此平行，并且在每个有源层之间设置由p型和n型的两个薄的重掺杂子层组成的主中央调整层，主中央调整层在操作SAE的过程中提供从一个有源层到另一个有源层的电流的隧道通路。
为了获得SAE的偏振不灵敏性，漏入区的漏入层用大约等于引入电流的带状(或台面带状)区域宽度的厚度制成。
如果电流的带状区域形成为以适当的角度倾斜于光面的空腔，则在所提出的SAE中可获得对净化膜需求的进一步减小。
对于所提出SAE的各个实施例，入口和出口孔径被形成与光纤孔径匹配。在这种情况下，为了输入信号的输入以及为了放大发射的输出，SAE的相对光面(净化膜应用于它们)不仅通过使用光耦合元件而且通过直接接触光纤来与光纤进行光耦合。
本发明中所提出的具有泄漏发射的新非显而易见SAE的本质在于HS的漏入区和有源层的改进，其中，将与有源层相邻的额外原始定位的主调整层引入到漏入区中，以及提出了主调整层和辅助调整层、约束层、漏入层及其子层、反射层及其子层的其他原始特性(位置、组分、厚度、掺杂量级)，这使得可以显著改进SAE的主要特性，特别是增加对输入信号的灵敏度、效率、输出功率、减小放大发射的角偏向、减小输入和输出处发射的光损耗、减小噪声级、增加工作寿命和可靠性以及简化对准技术。
本发明的另一方面是提出了半导体光放大器(下文中称作SOA)，包括输入发射的光耦合主源以及包括基于半导体化合物的异质结构的半导体放大元件，特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比，即，在从一个正增量到一个负增量的范围内确定neff与nIN的比，其中，通过比1小得多的量值确定增量。所述异质结构包含至少一个有源层、至少两个反射层(至少为在有源层的每一侧上)；所述反射层由至少一个子层形成并且具有小于异质结构有效折射率neff的折射率。所述异质结构包含透明的用于发射的漏入区。漏入区位于有源层和相应的反射层之间，漏入区位于有源层的至少一侧上，漏入区至少为一个，漏入区具有至少一个漏入层，其具有折射率nIN并由至少一个子层组成。所述漏入区至少具有一个由至少一个子层组成的约束层。并入SOA中的SAE还包括光面、欧姆接触、和在光面上的至少一个净化膜。所述光面上的净化膜的反射系数以及所述异质结构的组分和厚度以这样的方式选择：在工作电流的整个范围内所述有源层中发射的合成放大值不超过使运行半导体放大元件产生自激的所述放大值，其中，放大发射的传播介质是漏入区的至少一部分、有源层的至少一部分、以及邻近漏入层的反射层的至少一部分。在这种情况下，将主调整层额外引入到漏入区中；所述主调整层包括至少一个子层并且其子层中的至少一个的折射率不小于漏入层的折射率nIN，并且它的一个表面与有源层相邻，而在主调整层的相对面上存在具有小于主调整层折射率的折射率的约束层。
所提出的SOA基于改进的SAE，其主要特征在于HS(基于其制造SAE)的漏入区和有源层的改进。在这种情况下，将主调整层引入到漏入区中，改变了漏入区的层的位置。所提出的HS中的有源层不包含子层并且可以为至少一个。在形成一个有源层的情况下，漏入区的额外引入的主调整层的一侧与有源层相邻，而漏入区的约束层与主调整层的另一侧相邻。在形成两个和更多个有源层时，在有源层之间设置具有与主调整层相同或近似特性的引入的主调整层。具有所包括SAE的SOA的功能出现在从有源层泄漏的发射及其漏入到漏入区的的瞬态过程附近。
泄漏过程由HS层的组分和厚度限定并由异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比所控制。在电流的工作范围内，从一个正增量到一个负增量(即，从大约1.01到大约0.99)的范围内确定neff与nIN的比。
在比neff/nIN为选定值的情况下，放大系数、输出功率以及噪声级、提出的SOA对输入信号的灵敏度在一定程度上取决于在给定的工作电流下SAE HS的有源层中发射的合成放大值。如通过对所提出SOE的计算所显示的，只通过定位以及通过选择主调整层(或其子层)的厚度和折射率，实现了所述合成放大的最大值。因此，额外引入到所提出HS中的原始定位的主调整层使得可以解决技术问题，首先，本质上改善SOA的所述参数以及增加入口孔径和出口孔径的大小，降低偏振灵敏度以及减小远场中发射的角偏向。
为了稳定SOA的放大模式，SAE的光面上的净化膜的反射系数以及异质结构层的组分和厚度以这样的方式选择：处于工作电流的有源层中发射的合成放大值不超过导致运行SOA产生自激的所述放大值。
在优选实施例中，为了增加对输入信号的灵敏度以及增加SOA的放大系数，提出至少将两个有源层引入到SAE HS中；在那两个有源层之间设置引入的主中央调整层或其子层中的一个。
对于增加SAE HS的主调整层的厚度存在限制的某些SOA，最好与漏入区的主调整层一起，至少在其一个侧上形成并至少由一个子层组成的邻近约束层表面的辅助调整层。
为了优化SOA的主要参数，SAE HS的主调整层、主中央调整层、和辅助调整层用不小于漏入层折射率nIN的折射率制成，并且所述调整层的厚度从大约0.005μm到大约1.0μm的范围内选择。
为了改善SOA参数的温度依赖性，SAE HS的约束层用从大约0.01μm到大约0.30μm的范围内选择的厚度制成。
为了减小噪声因数和减小SOA的放大发射的角偏向，SAE HS的漏入区的漏入层的厚度从大约1.0μm到大约10μm以上的范围内选择，并且大部分邻近漏入层的反射层的子层中的至少一个用接近漏入层折射率的折射率制成。
为了简化制造工艺过程，在SOA的一些实施例中，SAE HS的漏入区的至少一个漏入层用等于约束层折射率的折射率制成。
在优选实施例中，为了减小定义SOA效率的内部光损耗，SAEHS的主调整层和主中央调整层在生长中不掺杂，辅助调整层(如果有的话)、漏入层、和与漏入层相邻的SAE HS的至少一个反射层的一部分以大约从1015cm-3到3×1017cm-3低量级的适当掺杂杂质进行掺杂，以及SAE HS的约束层以大约从1017cm-3到3×1018cm-3量级的适当掺杂杂质进行掺杂。
根据漏入区(或漏入层)的数量和位置，可制造两种主要类型的SOA：对称SOA和非对称SOA。在包含在对称SOA中的SAE中，漏入区位于有源层的每一侧上并且大部分具有与所包含层相等的折射率和相等的厚度。在包含在非对称SOA中的SAE中，漏入区可以为一个，其位于有源层的一侧上，大部分在n型掺杂侧上。
在优选实施例中，在提出的处于特定激光波长的SOA中，存在选择等于或接近其上生长有异质结构的透明的用于发射的半导体基片的组分(或折射率)的SAE HS的漏入层的组分(或折射率)的可能性。通常，由于基片是二元半导体化合物(例如，GaAs、InP、GaN、GaSb)，并且漏入层的厚度通常构成所有HS层厚度的大部分，所以在这种情况下，压缩机械应力级将会显著减小，欧姆电阻和热敏电阻将减小，这使得所提出SOA的效率、输出功率的增加以及工作寿命和可靠性的增加。
在相同的工作电流情况下，为了大约通过两个、三个或更多个因数增加放大发射的输出功率，在所提出的SOA中分别形成两个、三个或更多个有源层，其空腔彼此平行；并且在每个相邻有源层之间设置由p型和n型的两个薄的重掺杂子层组成的SAE HS的主中央调整层，主中央调整层在操作SOA的过程中提供从一个有源层到另一个有源层的电流的隧道通路。
为了获得SOA的偏振灵敏度，SAE HS的漏入区的漏入层用大约等于所引入电流的带状区域宽度的厚度制成。
在所提出的SOA中，为了进一步降低净化膜的需要，SAE的电流的带状(或台面带)区域倾斜于光面的空腔适当的角度。
对于所提出SOA的各个实施例，SAE的入口孔径和出口孔径形成为与光纤孔径匹配。在这种情况下，为了输入信号的输入和放大发射的输出，具有应用有净化膜的SAE的相对光面不仅通过使用已知的光耦合元件与光纤进行光耦合，而且直接接触SAE与光纤进行光耦合。在其输入到光纤中的输入发射的损耗减小导致SOA效率的增加。
在优选实施例中，为了在SOA输出处获得高质量的放大发射，输入发射的主源被制成为注入式激光器。为了增加SOA的效率和输出功率，主注入式激光器优选地选为本发明中所提出的激光器，并且在上面进行了阐述。对于SOA的该实施例，主激光器和SAE的有效光耦合可通过它们之间的直接接触而获得，而无须使用光耦合元件。在这种情况下，SOA实施例是优选的，其中，主激光器和SAE由相同的异质结构制成。大功率SOA的实施例也是可能的，其中，SAE的电流的引入带状区域的宽度被选为大于主激光器的引入带状区域的宽度，或者SAE的电流的带状区域的宽度形成为可拓宽的。
应该注意，在主激光器和包含在SOA中的SAE中的泄漏发射导致内部光损耗的显著减小(导致SAE的效率增加)并且减小导致放大发射的空间不稳定并导致大功率SOA中输出功率的限制的非线性失真。这由以下事实引起：在所提出的SOA中，放大发射的主要部分(约99.99％以上)穿过透明的漏入层(线性介质)，并且通量非常小的部分(约0.1％以下)穿过非线性有源介质。这决定了不仅获得发射的高输出功率，而且减小发射的谱线宽度、减小其频移、改善SOA高频和高速调制特性。
本发明中所提出的以及包括在输入发射的主源(主激光器)和SAE中的新非显而易见的SOA本质在于主激光器和SAE的异质结构的漏入区和有源层的改进，其中，将与有源层相邻的额外原始定位的主调整层引入到漏入区中，并且提出了主调整层和辅助调整层、约束层、漏入层及其子层、反射层以及子层的其他原始特性(位置、组分、厚度、掺杂级别)，这使得可以本质上改进SOA的主要特性：效率、输出功率、放大发射的角偏向、输入和输出的光损耗、工作寿命和可靠性连同对准技术的简化。
本发明中所提出的HS、激光器、SAE、SOA的技术实现基于如今已经良好发展并且广泛应用的已知基片技术工艺。该申请满足“工业应用性”标准。制造中的主要特征在于激光异质结构的生长层的其他组分、厚度、和位置。
附图说明
下面将结合图1至图10详细描述本发明，其中：
图1是所提出的具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧的两个相同的漏入层的对称HS截面的示意图。
图2是所提出的具有一个有源层、两个主调整层、和两个辅助调整层的对称HS截面的示意图。
图3是所提出的具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧上的不同厚度的两个漏入层的非对称HS截面的示意图。
图4是所提出的具有两个有源层、两个主调整层、一个主中央调整层、和不同厚度的两个漏入层的非对称HS截面的示意图。
图5是所提出的在光面上具有反射涂层、具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧上的两个相同漏入层的对称激光器纵向截面的示意图。
图6是所提出的在光面上具有反射涂层、具有一个有源层、两个主调整层、和两个辅助调整层的对称激光器纵向截面的示意图。
图7是所提出的在光面上具有反射涂层、具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧上的不同厚度的两个漏入层的非对称激光器纵向截面的示意图。
图8是所提出的在光面上具有反射涂层、具有两个有源层、两个主调整层、和一个主中央调整层的非对称激光器截面的示意图。
图9是在两根光纤与其耦合的光面上具有净化膜、具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧上的两个相同漏入层的SAE纵向截面的示意图。
图10是具有独立位于一个光轴上的SOA纵向截面的示意图，其中，主激光器在光面上具有反射涂层以及SAE在光面上具有净化膜，它们由相同的对称HS制成，其中，HS具有一个有源层、两个主调整层、和位于有源层每一侧上相同的两个漏入层。
具体实施方式
下面通过参照附图描述具体实施例来说明本发明。所给出的HS、激光器、SAE、和SOA的实施例的实例不是唯一的，并且假设包括已知波长范围的其他实现的可用性，其特征反映在根据权利要求的特征的总和中。
所提出的异质结构1(参见图1)包括一个有源层2，其每侧与两个漏入区3和4相邻。漏入区3和4的每个外侧(相对于有源层2)与两个反射层5和6相邻。反射层6位于n型GaAs的基片7侧面上。漏入区3和4中的每一个都包含一个与有源层2每一侧相邻的主调整层8和9，约束层10和11中的每一个分别与主调整层8和9相邻，并且漏入层12和13中的每一个分别与调整层10和11相邻。有源层2由厚度为0.008μm的InGaAs制成。这种异质结构中的激光波长等于980nm。主调整层8和9具有0.04μm的相同厚度并由GaAs生长。约束层10和11具有相同的组分Al0.38Ga0.62以及相同的厚度0.04μm。漏入层12和13具有4.0μm的相同厚度并由Al0.19Ga0.81As生长。反射层5和6都由相同组分和厚度的两个子层构成。具有0.5μm厚度的与相应漏入层相邻的第一子层14、15由Al0.20Ga0.80As生长，该组分近似于漏入层的组分；具有0.6μm厚度的第二子层16、17由Al0.25Ga0.75As生长。注意，下文中对于固定发射波长的半导体激光器的每种组分，存在特定的相应折射率。当生长HS1时，有源层2、以及主调整层8和9不掺杂，约束层10(p型)和11(n型)通过已知杂质分别掺杂为6×1017cm-3和3×1017cm-3，漏入层12、13以及p型和n型的反射层5和6的第一子层14、16分别掺杂为1×1017cm-3，并且p型和n型的反射层5和6的第二子层15、17分别掺杂为2×1018cm-3。
在电流密度分别为0.3kA/cm2和10kA/cm2，以及neff与nIN的比的计算值分别为1.000006和0.99964的情况下选择HS1层的组分和厚度。在电流密度为0.35kA/cm2的情况下有源层中的合成放大为7.8cm-1。在电流密度为10kA/cm2的情况下垂直面内计算的角偏向θ⊥为6.0°(下文中FWHM)。
HS1的以下实施例不同于上述实施例，在该实施例中，漏入层12和13的厚度相同并且等于2.5μm。在这种情况下，在电流密度为0.3kA/cm2和10kA/cm2时neff与nIN的比的计算值分别为0.99992和0.99933。在电流密度为0.3kA/cm2时的合成放大为10.0cm-1。在电流密度为0.3kA/cm2时垂直面内计算的角偏向θ⊥为9.0°。
HS1的以下实施例(参见图2)不同于在图1中示意性示出的实施例，在该实施例中，与主调整层8和9一起，漏入层12和13由Al0.05Ga0.95As生长并在漏入区中，额外引入由GaAs制成的两个辅助调整层18和19，它们位于有源层的每一侧、在约束层10和11以及漏入层12和13之间。由于层12、13和5、6中的Al的低含量，所以获得的HS减小了欧姆电阻和热敏电阻以及压缩机械应力。
HS1的以下实施例(参见图3)不同于在图1中示意性示出的实施例，在该实施例中，漏入层12和13的厚度分别为0.5μm和7.0μm，并且主调整层8的厚度是0.06μm。对于HS1的该实施例，在电流密度为0.3kA/cm2和10kA/cm2的情况下，neff与nIN的比的计算值分别为1.00004和0.99984。在电流密度为0.3kA/cm2的情况下，合成放大为10.2cm-1。在电流密度为10kA/cm2的情况下，垂直面内计算的角偏向θ⊥为8.1°。
HS1的以下实施例(参见图4)不同于上述实施例，在该实施例中，形成了两个相同的有源层2，引入在两个有源层之间设置的具有0.012μm厚度的主中央调整层20，并且主调整层8的厚度为0.03μm。对于HS1的该实施例，在电流密度为0.3kA/cm2和10kA/cm2的情况下，neff与nIN的比的计算值分别为1.00002和0.99984。在电流密度为0.3kA/cm2的情况下，合成放大为8.9cm-1。在电流密度为10kA/cm2的情况下，垂直面内计算的角偏向θ⊥为8.1°。
HS1的以下实施例不同于在图4中示意性示出的实施例，在该实施例中，主调整层20由n型和p型的两个薄(每个具有0.005μm的厚度)子层构成，分别通过碲和碳掺杂为5×1019cm-3的浓度。N型子层设置在p型反射层的侧面上，以及p型子层设置在n型反射层和n型基片的侧面上。
HS1的以下的实施例不同于在图1中示意性示出的实施例，在该实施例中，漏入层12和13由与约束层9和10相同的组分(因此具有相同的折射率)制成，即，由Al0.38Ga0.62As制成，并且反射层5和6(没有子层)具有组分Al0.45Ga0.55As。与前一实施例相比，该HS的实施例包含较少数量的层，然而，其特征在于增加的欧姆电阻、热敏电阻和压缩机械应力。
所提出的激光器30(参见图5)是通过使用图1中所示的对称HS1的实施例而制成的。金属化层(图中未示出)应用到n型基片7和形成在相反侧(图中未示出)的p型接触层(图中未示出)。光学谐振器的长度Lres被选为等于2000μm。具有反射系数分别为R1＝99％和R2＝5％的反射涂层32和33应用于劈开面31。电流的带状区域具有10μm的台面(mesa)带状宽度。计算的阈值电流密度jthr为350A/cm2，并且差分效率ηd大约为88％。在阈值电流的所有值(直到20kA/cm2)处，有源层中的合成放大大于jthr。这种情况下的泄漏角从0°到1.65°变化，其在0.35kA/cm2到20kA/cm2范围内提供激光器30的单模(在垂直面内)运行。在电流密度为10kA/cm2的情况下，已知计算的定义有源层2中传播的激光发射份额的限制因数Γ为3×10-4。垂直面内计算的角偏向θ⊥从7.8°(电流密度为0.35kA/cm2)减小到6.0°(电流密度为10kA/cm2)。在垂直面内的谐振器的输出光面上处于0.13级别的发射区的大小从5.7μm(0.35kA/cm2)变化到8.0μm(10kA/cm2)。
所提出的激光器30(参见图6)是通过使用图2中所示的对称HS1的实施例而制成的，其中，漏入层12和13以及反射层5、6的第一子层14和16分别由Al0.05Ga0.85As和Al0.06Ga0.86As的低含量的Al所制成。在这种情况下，辅助调整层18和19由等于0.24μm的厚度制成。激光器30的该实施例增加了效率、功率、以及操作的可靠性。
所提出的激光器30(参见图7)是通过使用图3中所示的对称HS1的实施例而制成的，其中，组分相同的漏入层12和13分别具有0.5μm和7.0μm的厚度。通过选择主调整层8和9的厚度，实现0.3kA/cm2的阈值电流密度。垂直面内计算的角偏向θ⊥首先从7.5°(电流密度为0.3kA/cm2)减小到7.2°(3kA/cm2)，然后增加到8.1°(10kA/cm2)。在这种情况下，垂直面中谐振器输出光面上的发射区的大小(处于0.13的级别)首先从4.6μm增加到7.2μm，然后减小到6.0μm。
激光器30的以下实施例不同于上述实施例，在该实施例中，漏入层12和13是使用与约束层9和10的组分相同的组分制成的，即，由Al0.38Ga0.62As制成。反射层5、6(没有子层)由Al0.45Ga0.55As制成。与前一实施例相比，激光器30的该实施例包含较少数量的HS层。
所提出的激光器30(参见图8)是通过使用图4中所示的非对称HS1的实施例而制成的，其中，制成两个相同的有源层2，并且在它们之间设置有具有0.012μm厚度的主中央调整层20。在激光器30的该实施例中，阈值电流密度减小到0.25kA/cm2。
激光器30的以下实施例不同于上述实施例，主中央调整层20由p型和n型的两个子层构成，每一个均具有0.005μm的厚度，且分别以具有等于5×1019cm-3的载流子浓度的碳和硅掺杂。在激光器30的运行中，这种子层提供从一个有源层到另一个有源层的电流的隧道通路，并且在相同的电流下，大约为双倍的施加电压，输出功率增加二次方。
也用在SOA中的所提出的SAE40是基于图1中所示HS1的实施例而制成的。除具有0.01％的相等反射系数R1和R2的净化膜应用于HS1的劈开面以外，该实施例的SAE40及其制造方法与图5中所示激光器30的实施例完全一致。在电流的所有值处，由异质结构层的组分和厚度以及由反射系数R1和R2限定的有源层中的合成放大小于其达到10kA/cm2以上的自激阈值。在超过大于0.3kA/cm2的电流密度的情况下，开始满足从有源层到漏入层的发射泄漏条件(在输入处有信号)。这种情况下的泄漏角从0.3kA/cm2的0°增加到10kA/cm2的1.53°。SAE40处于10kA/cm2时的入口孔径为8×10μm2，角孔径大约为6.0°×5.7°。
用在SOA中的SAE40的以下实施例(参见图9)不同于上述实施例，电流带状区的宽度等于8μm，HS1层的组分和厚度设计用于发射1305nm波长，以及光纤耦合到具有净化膜41和42(其中R1和R2相同并等于0.01％)的光面31：输入光纤43用于通过具有净化膜41的光面31输入发射，以及输出光纤44用于从具有净化膜42的相对光面31输出发射。SAE40的入口孔径和出口孔径的大小与已知的光纤孔径一致(等于10×10μm2)，这使其可以将输入光纤43和输出光纤44通过直接接触SAE 40的相应涂层41和42耦合到光面31。SAE 40的该实施例可在现代光纤通信链路中高效地用作功率放大器、光开关、光波长转换器。其主要优点在于由其输入到SAE40中的输入发射的低损耗所决定的减小噪声。这种情况下的噪声因数可与光纤和拉曼放大器的相比。100μm2的放大发射的传播区域的接近正方形使SAE40实际上对输入信号的偏振不敏感。在这种SAE40中，可获得35dB以上的信号的小信号放大，并且未饱和的发射放大功率可达到1W以上。SAE40的一个优点还在于其输出放大发射实际上对称并具有低的发射角偏向。
用在SOA中的SAE40的以下实施例与上面的不同，引入的电流的台面带状区形成为与光面的空腔倾斜7°。这使得可以将反射系数R1和R2的值的需求减小大约一个数量级(10倍)。
也用在SOA中的所提出的SAE40是基于图2中所示HS1的实施例而制成的。除具有0.01％的相等反射系数R1和R2的净化膜应用于HS1的劈开面以外，该实施例的SAE40及其制造方法与图6中所示激光器30的实施例完全一致。
也用在SOA中的所提出的SAE40是基于图3中所示HS1的实施例而制成的，并且除具有0.01％的相等反射系数R1和R2的净化膜应用于HS1的劈开面以外，与图7中所示激光器30的实施例完全一致。
也用在SOA中的所提出的SAE40是基于图4中所示HS1的实施例而制成的，并且除了具有0.01％的相等反射系数R1和R2的净化膜应用于HS1的劈开面以外，与图8中所示激光器30的实施例完全一致。
也用在SOA中的SAE40的以下实施例与具有两个有源层(在它们之间具有电流的隧道通路)的激光器30的实施例的不同之处只在于净化膜41、42的0.01％的反射系数。
所提出的SOA(参见图10)包括制成为与SAE40光耦合的激光器30的输入发射的主源。激光器30和SAE40是通过使用上述且示意性示出在图1中的HS1的相同实施例制成的。激光器30与示意性在图5中示出的上述实施例一致。SAE40与激光器30的区别在于应用于劈开层31的具有0.01％的相等反射系数的净化膜41、42。激光器30和SAE40的电流的带状区域由8μm的相同宽度制成。激光器30的出口孔径和SAE40的入口孔径相同并且等于8.0×8.0μm2，并且在电流密度为10kA/cm2的情况下，垂直面内计算的角偏向θ⊥为6.0°。在两个横向系数(transverse index)的单空间模式操作中激光器30的输出功率为0.5W。主激光器30的大的和相等的输出孔径以及SAE40的入口孔径使得可以在一个纵向光轴上以它们之间的最短距离、足够的精度和低的发射损耗对准主激光器30与SAE40。这种SOA是高质量单模和单频激光发射的超高功率源。
工业应用性
异质结构用于形成半导体注入式发射源(例如，注入式激光器)、半导体放大元件、半导体光放大器，其用在光纤通信和数据传输系统、光超高速计算和开关系统、医疗设备的开发、激光工业设备、倍频激光器中，以及用于充能固态和光纤放大器和激光器。

Claims (18)

1.一种基于半导体化合物的异质结构，其特征在于异质结构的有效折射率neff与漏入层的折射率nIN的比，即，neff与nIN的比，其在从一个正增量到一个负增量的范围内确定，其中，由比1小得多的量值确定增量，所述异质结构包含至少一个有源层、至少两个反射层，所述反射层至少在所述有源层的每一侧上；所述反射层由至少一个子层形成并具有小于所述异质结构的折射率neff的折射率，所述异质结构包含透明的用于发射的位于所述有源层和相应的反射层之间的漏入区，所述漏入区位于所述有源层的至少一侧上，所述漏入区至少为一个，所述漏入区包括至少一个具有折射率nIN并至少包括一个子层的漏入层，并且所述漏入区具有包括至少一个子层的至少一个约束层，其中，将主调整层额外引入到所述漏入区中，所述主调整层包括至少一个子层并且其子层中的至少一个具有不小于所述漏入层的折射率nIN的折射率，并且它的一个表面与所述有源层相邻，而在所述主调整层的相对表面上具有小于所述主调整层折射率的折射率的所述约束层。
2.根据权利要求1所述的异质结构，其中，在工作电流的范围内，在从1.01到0.99的量值范围内确定随着电流的增加而减小的neff与nIN的比。
3.根据权利要求1所述的异质结构，其中，所述异质结构包含至少两个所述有源层，并且在它们之间额外引入包括至少一个子层且具有不小于所述漏入层的折射率nIN的折射率的主中央调整层。
4.根据权利要求1所述的异质结构，其中，在所述漏入区中引入邻近所述约束层表面的辅助调整层；所述辅助调整层由至少一个子层形成并具有不小于所述漏入层的折射率nIN的折射率。
5.根据权利要求1所述的异质结构，其中，所述反射层的子层中的至少一个具有接近于所述漏入层的折射率的折射率。
6.根据权利要求1所述的异质结构，其中，所述漏入区的所述漏入层中的至少一个具有与所述约束层的折射率相同的折射率。
7.根据权利要求1所述的异质结构，其中，所述漏入区的所述漏入层的子层中的至少一个具有与其上生长所述异质结构的基片的组分相同或近似的组分。
8.根据权利要求1所述的异质结构，其中，所述异质结构包含至少两个所述有源层，其空腔彼此平行，并且在它们之间设置中央主调整层，所述中央主调整层包括在注入式发射源的操作过程中提供从一个所述有源层到另一个有源层的电流的隧道通路的p型和n型的两个薄的重掺杂子层。
9.一种注入式激光器，包括异质结构以及光面、反射体、欧姆接触、光学谐振器，其中，所述光学谐振器的介质的至少一部分由漏入区的至少一部分、有源层的至少一部分、以及反射层的至少一部分构成，光学谐振器反射体的反射系数以及异质结构层的组分和厚度以这样的方式选择：对于所述注入式激光器，在其运行期间，所述有源层中的发射的合成放大在工作电流的整个范围内足够支持激光阈值，其中，所述异质结构根据权利要求1至8任一项中的限定而制成，而在从一个正伽马到一个负伽马的范围内确定激光阈值电流范围内的neff与nIN的比，其中，由比增量小得多的量值限定伽马。
10.根据权利要求9所述的注入式激光器，其中，在激光阈值电流的范围内，在从大约1.005到大约0.995的范围内确定neff与nIN的比。
11.一种半导体放大元件，包括：异质结构以及光面、欧姆接触、、和至少一个光面上的净化膜，其中，半导体注入式发射源的放大发射的传播介质是漏入区的至少一部分、有源层的至少一部分、以及反射层的至少一部分，所述光面上的所述净化膜的所述反射系数以及所述异质结构的组分和厚度以这样的方式选择：在工作电流的整个范围内，所述有源层中的发射的合成放大值小于使所述运行半导体放大元件产生自激的合成放大值，其中，所述异质结构根据权利要求1至8任一项中的限定而制成。
12.根据权利要求11所述的半导体放大元件，其中，所述漏入区的漏入层具有近似等于引入的电流带状区域的宽度的厚度。
13.根据权利要求11所述的半导体放大元件，其中，电流的所述带状区域被制成倾斜于光面的空腔适当的角度。
14.根据权利要求11所述的半导体放大元件，其中，相对的具有应用于它们的所述净化膜的光面与光纤光耦合。
15.一种半导体光放大器，包括输入发射的光耦合主源和半导体放大元件，其中，所述半导体放大元件根据权利要求11至14任一项中的限定而制成。
16.根据权利要求15所述的半导体放大元件，其中，所述输入发射的所述主源被制成为注入式激光器。
17.根据权利要求15所述的半导体放大元件，其中，所述注入式激光器根据权利要求9的限定而制成。
18.根据权利要求16或17所述的半导体光放大器，其中，所述注入式激光器和所述半导体放大元件由相同的异质结构制成并且在它们之间的直接接触中进行光耦合。
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