CN1299526A - 半导体光学放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光学放大器,该放大器把流入辐射引入有源区,以及,从所述区提取输出模式。这个放大器同时减小了像散角和色散角的值,增加了输入和输出口径、有效长度的放大区域、高功率输出、高亮度及在输入和输出辐射的方向上变化的宽范围。这个放大器使用预定范围的层的合成物和厚度用于整个的异质结构,包括有源层(6),也包括代表多个边界层(7、8)的几组层。至少这几组层之一整体地形成在输入－输出系统中,并沿着辐射输入－输出区(17)延伸。本发明也涉及输入和输出角的扩展范围,以及,使用具有相对有源层平面的预定倾斜角范围的辐射输入－输出区(17)的不同结构。本发明还涉及双路传输、多波束和多级半导体光学放大器,该放大器按照分立或集成产生。
Description
发明领域
本发明涉及量子电子学，特别是高功率多模、单模和/或单频辐射源，以及半导体光学放大器。
现有技术
传统上，半导体光学放大器(此后称为“SOA”)由输入辐射的主源构成，主源的输出由光学系统光学地耦合到放大部件(此后称为“AC”)的输入(S.O’Brien，IEEE量子电子学杂志(1993)29卷第6册，2052-2057页，和J.P.Donnelly,IEEE光学和技术通讯(1996)第8卷，1450-1452页)。光学信号一般是自然的、超发光(Superluminescent)或激光辐射。由于SOA的特殊特性，例如，小尺寸、每单位长度的高增益、高效率、潜在的低成本、可集成在光电子电路等，毫无疑问，SOA在复杂的通信网络设计，特别是分支网络，和研制有效的高功率辐射源有很好的应用前景，
离散实施的SOA是已知的(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，其包括输入辐射的主源，当放大器正在运行时，主源以输入角δ被输入到光学上耦合到源的AC。AC是根据半导体激光异质结构实现的，该异质结构包括具有折射系数nα的有源层和位于两个覆盖层之间的能带隙Eα(Ev)，每一个异质结构至少有一个子层。通过使用壁垒区实现的有源增益区以形成台式条带，该台式条带在有源增益区的输入面上从它的最初10微米的宽度Win线性地在有源增益区的输出面上把最后的宽度加宽到160微米Wout。SOA的长度LAGR是1500微米。注意，位于有源层并是AC的光学增益轴的有源增益区的纵向轴位于主源和光学系统的相同光学轴上。把输入辐射输入到有源增益区并在放大之后从有源增益区输出的装置是有源增益区输入面的光学刻面和有源增益区输出面的光学刻面，我们有条件地称其为第一光学刻面，在此情况下，其抗反射涂层的反射系数R近似0.003。第一个光学刻面以倾斜角Ψ1和Ψ2被放置到与光学增益轴垂直的平面，我们称该平面为垂直面。在现有技术中(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，AC的第一光学刻面与垂直面平行，已知AC的输入和输出口径的尺寸(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)分别是：
Sin=dAGRWin, (1)
Sout=dAGRWout, (2)其中dAGR是有源增益区的厚度，一般不超过1微米；因此，对于已知SOA的AC(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)，Sin不超过10平方微米，Sout不超过160平方微米。涂敷到有源增益区第一光学刻面上的抗反射涂层在已知AC中被用来抑制寄生反射和输出信号的反射(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)。
已知的SOA(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)使用单模辐射的主激光二极管作为输入辐射的主源，其功率PMSout为100Mw。通过光学系统在第一(输入)光学刻面上把输入辐射聚焦为1×4微米的点。此外，输入波束以不同的输入角δ被输入到有源增益区。结果，在AC中，25Mw的输入功率Pin的放大分量输入到有源增益区的初始面。
当3A的工作电流Iwork通过已知的长度LAGR为1500微米的AC时(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，获得了2.5W的放大的输出辐射功率Pout。输入口径不大于1微米。在垂直面(通过有源层的纵轴，并与激光异质结构层垂直的面)，象通常的注入式发射器一样，发散角θ⊥很大，大约35°，输出口径不超过1微米。在水平面，输出辐射发散角的有效角度是0.29°，其对应指定口径尺寸160微米的衍射限制的发散(与垂直面垂直并通过普通放大输出辐射前端的面被称为水平面。在所讨论的已知AC中，这是有源层的面)。
发明公开
本发明的目的是制造一种半导体光学放大器(SOA)，其增加了输入和输出口径的区域、减小了发散角、减小了放大输出辐射的象散性，并能够在有源层相对于光增益轴获得放大辐射的输入和输出的不同方向，同样，增加了有效增益区的长度和增加了抗放大输入辐射模式分量的断开机构。总的来说，上面提到的因素，使得SOA具有高的输出功率、高效率、持久性和稳定性，以及，高运行稳定性。因此，可以使用简单的制造技术获得多波束和多级放大器，以及，集成设计的放大器。
按照本发明，通过下述事实获得本发明的目的，在半导体光学放大器中(SOA)，包括：输入辐射的主源，当放大器正在运行时，主源以输入角δ被插入到光学上耦合到源的放大部件(AC)，所述的放大部件是根据半导体激光异质结构实现的，该异质结构包括具有折射系数nα的有源层和位于两个覆盖层之间的能带隙Ea(Ev)，每一个异质结构至少有一个子层，同样，包括在前端宽度Win(微米)和末端宽度Wout(微米)及长度LAGR(微米)的有源增益区，第一光学刻面界定了有源增益区的前后端，并对着垂直于有源层纵轴平面的倾斜角Ψ1和Ψ2，该平面称为垂直面，同样，也包括涂层，电阻接触，壁垒区，和抑制寄生辐射的装置，其特征在于形成的输入辐射作为对准辐射，在输入表面上，输入角δ等于辐射的入射角，放大部件至少有一个有源增益区，在该有源增益区内，至少在激光异质结构的一侧引入至少一个附加层，邻近激光异质结构的附加层被指定为辐射的输入-输出区，该区是透光的，并至少由一个子层形成，相邻的覆盖层的子层和辐射输入-输出区的子层至少分别形成一个区和一个子区，在称为内表面的激光异质结构边界一侧上的辐射输入-输出区的表面由不短于长度LAGR的长度LIOR-I(微米)形成；至少两个附加的第二光学刻面对着垂直面的倾斜角Ψ3和Ψ4，输入-输出区的宽度和厚度dIOR(微米)不小于有源增益区的宽度和厚度，子层的折射系数nIORQ和光学损耗因数αIORQ(cm-1)从激光异质结构的边界计数，其中q=1、2…,p定义为整数，其表示辐射输入-输出区的子层的顺序数，在工作装置中，在具有辐射输入-输出区的覆盖层的子层的边界上，来自有源层的放大辐射能量的净损耗因数αOR(cm-1)从范围下限αORmin(cm-1)的边界值的范围内选择出来，在放大器正在运行时，把供给到有源增益区的电功率的最小允许值转换成为放大辐射功率，在范围的上限αORMAX(cm-1)，通过工作电流强度的最大允许值，在辐射输入-输出区中，由输入辐射前端和输出放大辐射前端与激光异质结构的有源层平面垂直形成的角分别被指定为流入角ξ和流出角φ，在辐射输入-输出区中，输出辐射的总内部反射的角度被指定为反射角σ，取决于倾斜角Ψ3的输入角δ由选择流入角ξ等于流出角ψ确定；角ξ和σ满足关系：
ξ=arccos(neff/nIORI)和σ=arcsin(1/nIORq)考虑到从激光异质结构满足辐射流出的条件，激光异质结构的有效折射系数neff、连同辐射输入-输出区，辐射输入-输出区的折射系数nIORI满足关系：
0＜arccos neff/nIORI≤arccos neff-min/nIORI,所以neff-min大于nmin，式中neff-min是用于激光异质结构多样性的所有可能的neff的最小值，在与辐射输入-输出区集合之后，就是实际的值，nmin是激光异质结构层的最小折射系数。
所建议的SOA的区别是由AC特有的辐射输入和输出的装置构成的，同样，由SOA的许多实施例的主源构成。因此，相对于有源层平面的AC的输入和输出辐射内和外的方向性存在一个变化。与L.Goldberg论述的器件相反(IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，我们已经建议把输入信号的输入装置和放大器辐射的输出装置统一起来，并通过用于辐射输入和输出的第二光学刻面，把激光异质结构的所有半导体层和辐射输入-输出区集成在一起。
通过选择激光异质结构半导体层的合成物和厚度，以及辐射输入-输出区的合成物，产生了这样的条件，以至来自主源的输入辐射的指定部分流入有源区，在适当的条件下，该指定部分被输入到辐射输入-输出区，在对应的放大之后，流回到相同的辐射输入-输出区。
当满足下面关系时，实现了流出的条件：
辐射输入-输出区的折射系数nIOR超过了具有邻近辐射输入-输出区的整个异质结构的折射系数neff，既，
nIOR＞neff， (3)或同样，流出角φ超过0，既：
ψ=arccos(neff/nIOR)＞0 (4)
关系(3)是已知条件(见半导体激光和光集成电路手册)，根据已知条件，在激光异质结构的光学波导中传输的满足条件的辐射部分将从有源层流动。
对于我们的多层异质结构的情况，我们选择了设计，建议采用光学中已知的在光学系统中光线的通路可逆性原理，并假设通用条件(3)将不仅适用于流出辐射输入-输出区的辐射，也适用于辐射输入-输出区的流入辐射。此外，计算和实验证实了这个假设的正确性。因此，我们认为流入角ξ等于流出角φ，既：
ξ=φ=arccos(neff/nIOR) (5)
这个环境阐明了对于输入辐射的主源的要求和对于所建议的SOA功能的基本要求。这个基本的要求如下。当辐射通过第二平的光学刻面被输入时，来自主源的输入辐射必须被对准，输入角δ必须等于上面提到的光学刻面上的输入辐射的入射角(这个角是唯一的，与L.Goldberg论述的器件相反(IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，所以，在它进入辐射输入-输出区之后，流入角ξ等于流出角φ，关系(5)。在这种情况下，来自辐射输入-输出区的输入辐射将被输入到所建议的SOA的有源增益区，然后，在对应的放大之后，如前面所陈述的一样，将以到有源层平面的流出角φ(见关系(4))流回到相同的辐射输入-输出区。
条件(4)和(5)确定了折射系数nIOR、流入角ξ、流出角φ，的值，在值的下限值，其取决于neff/nIOR的比。角ξfront和φfront的上限由下列关系确定：
arccos(neff/nIOR)≤arccos(neff-min/nIOR), (6)当
neff-min＞nmin, (7)或ξfront=φfront＞arccos(nmin/nIOR), (8)式中neff-min是对于各种实际值的激光异质结构所有可能的的最小值neff的最小值，从辐射输入-输出区，可以获得所建议的SOA的AC，nmin是覆盖层的子层的最小折射率。对于实际的激光异质结构，角度ξfront和φfront的值大约30-40°，因此，角度ξfront和φfront的变化范围大于0°小于30-40°。
注意上面提到的关系(3)-(8)对于几个分层构成的辐射输入-输出区也是有效的。在上面提到的公式中，异质结构辐射输入-输出区的折射率nIOR应由nIOR1代替，既，邻近激光异质结构覆盖层子层的第一辐射输入-输出区的折射率。以后，除非特殊约定，我们将考虑异质结构的辐射输入-输出区，对于第一子层，我们将使用nIOR而没有标注“1”。
如前所述，条件(3)-(8)对于建议的SOA的操作是必须的。后面我们确定，在邻近辐射输入-输出区的覆盖层的子层边界上，流出辐射的每单位长的有源增益区的净损耗因数αOR(cm-1)的值将从下式中获得：
αORnin＜αOR＜αORmax, (9)式中αORmin是上面提到的流出-辐射损耗因数的最小可选择值，其由所允许的SOA的最小有效值确定，该值是由放大输出辐射功率与供给到有源增益区的电功率之比确定，αORmax是上面提到的流出-辐射损耗因数的最大可选择值，其由AC中所允许的最大工作电流强度j(A/cm2)确定，例如，其导致AC的不可接受的过热。
只有当满足本发明上面提到的特点和当辐射输入-输出区对流入和流出辐射是透光的时，在SOA中，与常规技术相比，我们确实获得了具有大的有效辐射增益长度的高功率值和高效率值。器件的输入和输出口径面积也增加了，减少了放大输出辐射的发散角和散射角，作为沿着整个有源增益区的放大辐射的分布输入和输出的结果，增加了SOA承受放大输入辐射的最常见成分的分解的能力。
本发明的目的也可由下述事实获得，所选择的有源增益区的Win等于Wout(微米)。在此，可以使用简单的制造技术，与原来的SOA相比，在输入辐射侧的不饱和化合物的增益区内，大大减少了注入电流的损失。如果所选择的有源增益区的Wout大于Win，则在与激光异质结构层平行的平面内，获得了减小的输出辐射的有限衍射的发散。
此外，建议当器件运行时，辐射输入-输出区由光学上的异质结构材料制成，这种材料对于放大辐射的波长λ(微米)是透光的波段。
上面提到的要求源于下述事实，当流入和流出辐射在辐射输入-输出区内传输时，辐射(吸收和发散)的光学损耗必须很小，特别是光学损耗因数αIORq必须是：
αIORq＜＜1/LIOR, (10)式中LIOR是辐射输入-输出区LIOR-1和LIOR-0的最大长度。
很明显，为满足关系(10)，首先，辐射输入-输出区的子层光学上是异质结构，辐射输入-输出区子层的能带隙EIORq大于有源层的能带隙Eα，其确定了SOA的频谱增益频带。吸收损耗按照EIORq和Ea之间差函数的指数减小。因此，使制作输入-输出区材料的波长λ(微米)落入透光区，减小了光学损耗αIORq(cm-1)，并因此获得了本发明的目的之一--增加了辐射输入-输出区的有效长度。
在器件的优选实施例中，辐射输入-输出区可以由大于Ea(eV)0.09Ev的具有能带隙EIORI的半导体制成。
在这种情况下，如果在辐射输入-输出区内传输的集中区域没有超过1×1018cm-3，则吸收的光学损耗因数αIOR-abs可能达到0.1cm-1的量级或更小。
注意，在一般的情况下，辐射输入-输出区不仅由半导体材料制成。对于吸收和发散的特殊折射系数nIOR和光学损耗因数αIOR，这些材料满足要求(3)和(10)即可。
此外，建议选择的厚度dIOR是在5-50000微米范围内。在此，厚度dIOR的选择取决于AC中的流出角φ、长度LAGR和第二光学刻面的入射角。当然，辐射输入-输出区的宽度WIOR不小于沿整个AC长度的有源区的宽度。
在优选的例子中，建议有源层的中面放置在远离附加层的内表面，以便当放大器运行在不超过最大值的20％时，在上面提到的有源层的中面内出现放大辐射的强度。
这个建议由适当的合成物(折射系数和层的吸收效率)、激光异质结构层的厚度和辐射输入-输出区完成。这引入了AC的最佳操作，在有源层内增加了输入辐射的增益，因此，增加了输出辐射的效率和功率。
在许多情况中，至少制成激光异质结构覆盖层的子层之一具有不低于nIORI的折射系数。
在它们减小的方向，有效控制辐射的流出角φ的值(见关系(4))和流入角ξ(见关系(5))的值是可能的。要求流入角ξ和流出角φ具有较小的数值，－例如，为构件建议的SOA具有大增益长度LAGR，但有限的厚度dIOR的目的。
使得激光异质结构层邻近至少两个区的辐射输入-输出区是可能的，这两个区的边界表面与有源层的平面垂直。在这种情况下，所选择的子层邻近区的厚度和折射系数是不同的。
具有较薄和/或大折射率的区域应当放置在直接靠近第一光学刻面。在这种情况下，流出辐射的强度在指定方向大大地增加了，所以，在有源增益区的表面上减少了放大辐射的强度，并因此对应减少了反射的寄生辐射的量。注意，前面提到的在第一光学刻面上附加减少的放大辐射的强度增加了器件的工作寿命和工作可靠性。
此外，建议外附加层由吸收放大辐射的材料制成。该层的目的是确保最大的吸收可能出现在层中的寄生反射和放大辐射的再反射，例如，通过很强的波带间吸收。这样可以有效地抑制寄生辐射，因此，对放大的输出功率的高值，稳定了建议的SOA的增益模式，
在优选的例子中，辐射输入-输出区应当电传导，如果存在其它附加层，它们也应当电传导。在此，在电传导辐射输入-输出区的表面形成电阻接触，如果存在其它附加层，电阻接触形成在附加层的自由面。
在许多情况中，制作辐射输入-输出区材料的光学损耗因数αIOR不超过0.1cm-1。
在某些情况中，从两个子层形成辐射输入-输出区是可取的；在此，与激光异质结构层邻接的第一子层必须电传导，必须由光学损耗因数αIOR不超过0.1cm-1的材料制作第二子层。在此，与辐射输入-输出区的第一子层形成电阻接触。
αIORq的较低值导致了放大器有效长度的相应增加(见关系(10))，并增加了输出功率和效率。如果第二子层没有电连接，这就造成因数αIOR2的低值。如果第二子层的折射系数值nIOR2小于第一子层的折射系数值，当在第二子层中辐射传输时，减小了流出角φ，因此，减小了辐射输入-输出区的整个厚度。此外，使得第二光学刻面与垂直面平行是可能的，其简化了产品的制造技术，并增加了SOA的有效长度，因此，增加了输出功率和效率。
在某些情况中，来自辐射输入-输出区方向的电阻接触可以与位于有源层和辐射输入-输出区之间的覆盖层的电传导子层之一形成。电阻接触与具有最小能带隙的值的电传导层形成是可取的。
对于形成电阻接触建议的修改简化了SOA制造技术。
我们提出的目的也由下述事实获得，既，建议了不同的辐射输入-输出区的设计。这些设计采用了关系(4)-(8)确定的具有全部可能的流入角ξ和流出角φ范围的激光异质结构。此外，建议从辐射输入和输出两者的方向，辐射输入-输出区具有与第二光学刻面的不同倾斜角(我们约定光学刻面的倾斜角是钝角或锐角，取决于光学刻面的什么角对着辐射输入-输出区的内面)。建议设计，当简化制造技术时，使得SOA具有高效率、高输出功率、高耐用性和高可靠性，大的输入和输出口径、对于不同的放大辐射输入和输出的方向，减小了输出辐射的发散角。
为实现通过与垂直面平行的具有抗-反射涂层的第二光学刻面的辐射输入，输入角δ应当满足条件arcsin(nIORqsinξ)。
为实现通过辐射输入-输出区的外表面的辐射输入，抗反射涂层形成在由输入口径尺寸确定的辐射输入-输出区的表面部分，并面对它的内表面和毗邻辐射输入方向的第二光学刻面，辐射输入与有源层的面形成钝角，该钝角以下列公式范围选择的倾斜角Ψ3形成：
[(π/4)-(ξ/2)-(σ/2)]到[(π/4)-(ξ/2)+(σ/2)]。如果输入辐射的指向垂直于输入表面，选择的倾斜角Ψ3是[(π/4)-(ξ/2)]。
为实现通过具有抗反射涂层的第二光学刻面的辐射输入，该抗反射涂层对着有源层的平面的锐角，从下列公式范围选择倾斜角Ψ3：
(ξ-σ)到(ξ+σ)
当放大器正在运行时，如果输入辐射的指向垂直于上面提到的光学刻面，则选择的倾斜角Ψ3等于流入角ξ。
为实现通过具有抗反射涂层的第二光学刻面的辐射输入，该抗反射涂层对着有源层的平面的锐角，从下列公式范围选择倾斜角Ψ4：
(φ-σ)到(φ+σ)当放大器正在运行时，为得到指向垂直于输出表面的输出辐射，则选择的倾斜角Ψ3等于流出角φ。
为实现通过与垂直面平行的具有抗反射涂层的第二光学刻面的辐射输出，选择的流出角φ小于上面提到表面的总内反射角σ。
为实现通过一个和相同第二个光学刻面的辐射输入和输出，建议反射涂层形成在第二光学刻面之一上，并与垂直面平行，抗反射涂层形成在另一面上，与第二光学刻面相对；在此，提供的辐射输入是通过这个表面的一部分，该部分是由输入口径的尺寸确定的，其位于不超过LAGR·tanφ的距离上，并开始于辐射输入-输出区内表面的第二光学刻面的边界，提供的辐射输出是通过相同表面的不同部分。在这种特殊的情况中，建议反射涂层涂敷到邻近具有反射涂层的第二光学刻面的第一光学刻面。以便增加输出功率。在建议的这种双道SOA中，放大辐射的输入和输出在空间上直接在第二光学刻面上分隔开。为完成通过相对内表面的输入-输出区的表面的辐射输出，抗反射涂层形成在该表面的一部分上，该部分由输出口径的尺寸和辐射输入-输出区的尺寸确定，该部分相对后者的内表面，并从辐射输出的方向邻近第二光学刻面，并对着有源层的平面的钝角，以下列公式范围选择形成的倾斜角Ψ4：
[(π/4)-(φ/2)-(σ/2)]到[(π/4)-(φ/2)+(σ/2)]。对于输出，输出辐射的指向垂直于输出表面，选择的倾斜角Ψ4是[(π/4)-(φ/2)]。
为得到多波束SOA，建议辐射输入-输出区至少由两个子区形成，第一个子区光学上耦合到主源，当放大器运行时，子区由第二光学刻面分隔，用于每一个子区的辐射输出。形成子区面的倾斜可以在辐射输入方向内不同于第二光学刻面的倾斜。在这种情况下，选择倾斜角Ψ3和倾斜角Ψ4的不同组合完成辐射输出是可能的，包括输出到有源层的面。
例如，通过相对辐射输入-输出区位置的激光异质结构表面的输出辐射，建议在辐射输出的方向内的第二光学刻面并对着有源层的平面的锐角按下列公式范围选取形成的倾斜角Ψ4：
[(π/4)+(φ/2)-(σ/2)]到[(π/4)+(φ/2)+(σ/2)]，抗反射涂层形成在相对辐射输入-输出区位置的激光异质结构表面上的投射区域上。
为制造具有多级AC的SOA，建议：●对于每一个增益区，至少具有相等的流入角ξ和流出角φ，的两个有 源增益区形成在辐射输入-输出区的表面上，或●沿着平行于辐射输入-输出区的表面和有源层的平面的单线至少形成两个有源增益区，在有源区开始之间具有2 dIOR/tanψ的间隔，或●对于每一个增益区，至少具有相等的流入角ξ和流出角φ，的两个有源增益区形成在辐射输入-输出区的相反表面上，或●沿着相互之间平行并在反面上的双线之一至少形成一个有源增益区，在反面上的有源区开始之间具有最短的距离dIOR/sinφ。
在分离的实施例和集成的实施例中，我们建议SOA使用非标准的输入辐射的主源，包括多级AC。
在分离的实施例中，建议输入辐射的主源被形成为第二个放大部件(AC)。在这种情况中，SOA是一种具有高方向性的超发光辐射源。
在SOA的相同分离的实施例中，建议反射器与第二放大部件的有源增益区合并。在这种情况中，SOA是高方向性激光辐射源。
为了在具有超发光辐射的集成实施例中得到SOA，建议主源的有源增益区放置在放大部件的辐射输入-输出区内，以便主源的有源增益区的流出角φ等于放大部件的有源增益区的流入角ξ。
为了在具有激光辐射的集成实施例中得到SOA，建议反射器与主源的有源增益区合并。
这样的SOA放大输出辐射有别于在低相差上，在垂直和水平面内具有小发散角的高功率输出。
对于集成的实施例，建议下面的修改：●主源和放大部件的有源区是在辐射输入-输出区的相同内表面上；●主源和放大部件的有源区是在平行于辐射输入-输出区的表面和有源层的平面的相同线上，在有源区开始之间具有2 dIOR/tanφ的间隔；●主源和放大部件的有源区放置在辐射输入-输出区的反面上；以及●沿着相互之间平行并在反面上的双线的每一线形成主源和放大部件的有源增益区，在反面上的有源区开始之间具有最短的距离dIOR/sinφ。
对于具有多级AC的SOA，及分立和集成的实施例，建议至少辐射输入-输出区的一个表面的至少一部分形成反射。
按照上面提到的反射表面的总的辐射的内反射，这些表面在与它们共同的辐射输入-输出区的有源增益区之间进行了光学耦合。
对于由不同反馈区别的分立和集成设计中的具有激光辐射的SOA，
建议第二放大部件的有源增益区的反射器-主激光-和AC的有源增
益区的反射器由下述形式形成：●反射涂层，或●分布的布拉格反射器，或●沿着主源的有源增益区整个长度分布的反馈反射器。
用于把对准的输入辐射分布输入到放大部件，从放大部件分布输出放大的具有小发散角的有限衍射辐射，本发明的基本点是新的和非显而易见的。在建议的SOA中，输入信号的输入和放大辐射的输出同时沿放大部件的整个长度出现，该长度等于有源增益区的长度，并比它的厚度大几倍。这由所有基本特点的非显而易见的集合所获得，包括使用来自主源的输入表面上的以特殊角度入射的对准波束输入输入信号、把我们建议的辐射输入的新的、非显而易见装置合并入SOA的放大部件，该部件新颖地组合为统一的(集成)输入/输出装置，该装置包括整个激光异质结构和通过附加地引入第二光学刻面，并在第二光学刻面的端面上附加地引入辐射输入/输出区、对所用的激光异质结构特征提出的一组新颖的和非显而易见的必要公式、输入-输出区本身的材料、光学刻面的倾斜。
本发明的基本点也是一种新的SOA的设计，该设计包括多波束辐射输出和多级放大部件，在具由输入超发光或激光辐射的主源的集成实施例中是以模拟放大部件的形式。
当与当前正在使用的SOA相比时，包括由L.GOldberg论述的器件(IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)，建议的SOA的优点如下。
增加了输入和输出口径的区域，因为在垂直面内增加了上面提到的口径的尺寸。与现有技术相比，由比值dIOR/dAGR确定的增加可能总计是成千上万的系数。
当信号被馈送入有源增益区时，在输入口径区域的增加不仅允许减小输入信号的损失，因此，把较高的输入功率输入到AC并增加了它的输入效率，这一点对制造高效率、大功率SOA和高灵敏度的光学前置放大器是非常重要的，并也允许大大简化直接把输入辐射注入有源增益区的工人的精确处理。
输出口径区域的增加在放大的有限衍射输出辐射的垂直面内减少了发散角θ上、减少了象散性、在从SOA提取期间，大大减小了(通过近似的dIOR/dAGR倍数)第二光学刻面上的放大输出(辐射)的强度。同时，与现有技术设计进行比较，在第一光学刻面上的辐射强度已经在辐射被提取的侧面被减小了。
由我们建议的SOA的设计不仅实现了从辐射输入-输出区的输入和输出的不同方向，并也实现了扩展具有大的流出角φ数值的SOA范围，该范围是由高效率和大输入和输出口径区别的。
在辐射输出侧上的第一和第二光学刻面的输出辐射强度的减小使得获得高输出辐射功率电平成为可能，如现有技术的情况一样，没有对极端断开强度进行处理；这就可能即使在高功率电电平上，确保增加SOA的工作寿命和可靠性。
相应选择的αMs、αAGR、αIOR的值使得增加器件的有效增益长度成为可能，因此，增加了有源增益区的体积，从而，在相互垂直的面内，增加了具有衍射有限发散的高质量激光辐射的效率和输出功率。
增加的有效长度能够实现我们允诺的设计，用于多波束SOA和在放大部件的形式中具有输入辐射主源和具有多级放大器的SOA，包括这些集成的实施例。
建议的SOA的另一个重要优点是在高输出辐射电平上的高工作稳定性和稳固性，其所建议的由来自有源增益区和到有源增益区的分布辐射输入-输出的主要新结构所确定。
让我们注意该事实，建议的SOA的技术实施是根据已知的基本生产过程，其工作的非常好，并广泛地用于制造典型的SOA。
附图简述
此后，将结合实施例并参考附图解释本发明。所呈现的SOA设计的例子不只一个，并假定特殊的其它实施例的存在反映在权利要求中特点的集合中。
图1是建议的SOA的放大部件设计的纵向(沿有源层的光学增益轴)剖面图，通过第二光学刻面的辐射输入和输出位于相对有源层的平面上的锐角上，并与光学异质结构的输入-输出区的外表面具有电阻接触。
图2是图1设计的顶视图。
图3是具有辐射输入-输出区的特殊激光异质结构的纵向剖面图，每一个覆盖层包含一个具有折射系数nIOR的子层。
图4是在垂直于图3所示的激光异质结构层的方向，在折射率中变化的示意图。
图5显示了放大辐射的近场强度的分布(计算数据)，在图3和图4所示的激光异质结构对应层中，折射系数的叠加变化。
图6是在垂直面内，放大辐射强度的远场分布(计算数据)。
图7-9是对于建议的SOA的放大部件的不同实施例的异质结构设计的纵向剖面图：
●图7显示了激光异质结构的覆盖层的子层，该子层邻近辐射输
入-输出区，并由两个具有不同折射系数值的区域构成；
●图8显示了辐射输入-输出区，其由两个不同电传导率的子层构
成；
●图9显示了第二个附加的吸收层已经形成在辐射输入-输出区的
外部。
图10-12用于不同电阻接触的SOA的AC设计的剖面图：
●图10是电传导附加层(辐射输入-输出区是基片)；
●图11是在邻近辐射输入-输出区覆盖层的子层之中具有最小能带
隙的电传导子层；
●图12是邻近激光异质结构的辐射输入-输出区的电传导子层。
图13-16是具有辐射输入-输出区的一个分区的不同AC设计的纵向剖面图。
●图13是通过与垂直面平行的第二光学刻面的辐射输入和输出；
●图14是通过与垂直面平行的第二光学刻面的辐射输入，没有通
过位于相对有源层平面的锐角的第二光学刻面的辐射输出；
●图15是位于有源层平面的钝角的第二光学刻面，通过辐射输入-
输出区的外表面辐射输入和输出；
●图16是通过与垂直面平行的第二光学刻面的辐射输入和输出，
在辐射输入-输出区内，从第二光学刻面产生放大辐射的单反射。
图17-18是SOA的纵向剖面图，辐射输入-输出区由第二光学刻面分隔成几个子区，通过第一子区的辐射输入和通过第一子区的多波束辐射输出：
●图17-每一个子区的外表面，每一个子区的第二光学刻面位于
有源层平面的钝角，除了位于锐角的输入表面；
●图18-位于有源层平面钝角的第二光学刻面，其在辐射输入-
输出区的边界上与激光异质结构相交。
图19是建议的具有超光辐射的分立SOA设计的纵向剖面图，在其中，主单元作为放大部件。
图20是建议的具有的分立SOA设计的纵向剖面图，在其中，主部件作为辐射-输出区的注入式激光器。
图21-24是各种集成SOA设计的示意图：
●图21-具有超光辐射的SOA的放大有源区被放置在辐射输入-
输出区的一端(纵向剖面)；
●图22-产生激光的和放大的有源区被放置在辐射输入-输出区
一端(纵向剖面)；
●图23-产生激光的和放大的有源区被放置在辐射输入-输出区
一端(顶视)；
●图24-产生激光的和放大的有源区被放置在辐射输入-输出区
的相反端(纵向剖面)。
发明的实施例
图1所示的SOA包括主源1和形成输入辐射的光学系统2，主源1和光学系统2放置在相同的光学轴上，AC3的有源区的纵向轴不是前两个部件的光学轴的延伸。AC3作为放置在基片5上的半导体激光异质结构4，并构成了有源层6、覆盖层7和8，覆盖层7和8位于有源层6的两侧、在覆盖层7上的接触层9。覆盖层8放置在基片5上。较高的掺杂接触层9(p-型设计)旨在与10进行电阻接触。第二个店租界出11形成在基片5的外表面上(见图10)。
有源增益区(见图2)通过壁垒区13形成台式条带12。在这个变形中，如图2所示，选择的有源增益区的设置是可扩展的。选择的输入端宽度Win是10微米，输出端Wout是160微米。有源增益区输入面的光学刻面14和有源增益区输出面的光学刻面15，我们有条件地成为一光学刻面14和15，抗反射涂层16形成在这些面上。在我们正在讨论的例子中，后者有0.001的反射系数，基片5是辐射输入-输出区17。
在辐射输入-输出区侧，辐射输入-输出区17由第二光学刻面18和19所限制，用于输入和输出辐射的第二光学刻面18和19的抗反射涂层16的反射系数是0.001。在对应图1的设计中，第一光学刻面14、15和第二光学刻面18、19对着有源层6平面的锐角，并在对应的倾斜角指向垂直面：Ψ1和Ψ2等于ξ，Ψ3和Ψ4等于φ；在此，角度ξ等于φ，其值是9°30′。角度的绝对值相互之间是相等的，对于流出角φ，其值是arccos(neff/nIOR)(半导体激光和光集成电路手册，1994，pp.58-65)。辐射输入-输出区17的内表面20毗连覆盖层8，其长度LIOR-I至少是沿着LAGR的辐射增益轴的长度。对于给出的设计，指定的长度实际上是相等的，辐射输入-输出区17的外表面21的长度LIOR-O短于长度LAGR-I。建议的SOA长度LIOR-O实际上等于长度LAGR，长度是1500微米。所选择的辐射输入-输出区17的厚度dIOR是260微米。
AC3的纵向剖面(见图1)图示了光学异质结构层的次序、具有一个辐射输入-输出区17的光学异质结构分区的激光异质结构的分层、接触层9。覆盖层7由两个子层22和23构成，有源层6由一个子层构成，覆盖层8由两个子层24和25构成；层25邻近辐射输入-输出区17(见表1)。为建立设计，半导体层由已知的MOCVD法在基片5上从电传导的砷化镓生长，该半导体层的作用象辐射输入-输出区17。辐射输入-输出区17的异质结构层的合成物、厚度、折射系数、掺杂的类型和浓度、对应的吸收系数呈现在表1中，同样呈现在图4和5中。选择的放大辐射波长λ(微米)位于增益频带内，其由有源层6的合成物确定，其尺寸是0.980微米。
当SOA连接到电源时，非平衡的载流子，其在AC3中起作用，就像已知的SOA的AC一样(见L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993)，29卷第6册，2028-2042页)，被输入有源区的波长λ(微米)的输入辐射的放大或在装置的增益频带内的波长输入辐射的放大被注入AC3的有源层6。
在垂直面内对准的25毫瓦的输入辐射被入射在第二光学刻面18上，输入区域Sin是2475平方微米(输入垂直长度247.5微米乘以输入水平长度10微米)。
含有箭头的标准线显示了主源1对准输入辐射的方向，其对第二光学刻面18的输入角是δ，和衍射放大输出辐射的方向，其对第二光学刻面19的折射率是ε。对于所述的设计(见图1)，当器件正在运行时，辐射输入和输出沿垂直对应的第二光学刻面发生。使用相同的方法指明在辐射输入-输出区17内，流入辐射以流入角ξ进入激光异质结构4的方向，流出辐射以流出角φ从激光异质结构4流出的方向。
在正在讨论的例子中，异质结构和SOA的基本参数由我们提出方案的数字模拟获得，在多层激光异质结构中，根据对应的边界条件，用矩阵法解麦克斯维尔方程J.Chilwall and I.Hodkinson，美国光学杂志(1984)第一卷，742-753页)。
计算使用下面的原始数据：●g0=200cm-1-有源层6的材料增益，其需要倒置；●μ=5×10-16cm2-(g+g0)(cm-1)和注入电子浓度Ne(cm-3)之间的比例因数，其中g(cm-1)是有源层的材料增益；●τ=1纳秒，有源层中的非平衡电子的寿命；●αAGR=5cm-1，有源增益区中放大辐射的吸收和散射的光学损耗因数；●αIOR=0.001cm-1-辐射输入-输出区17的光学损耗因数；这个值是在波长λ=0.98微米，载流子(电子)浓度是1×1018cm-3，用于砷化镓的辐射输入-输出区17取得的(H.C.Huang，应用物理杂志，(1990)67卷，1497-1503页)；●α15=15cm-1-通过第一光学刻面15的有源增益区端部上的辐射能量的损耗因数。
由于辐射散射在辐射输入-输出区17的辐射前端引起的可能的损耗和失真在计算中没有考虑一假设辐射输入-输出区17在光学上是均匀的。
假设的参数值是典型的InGaAs/GaAs/A1GaAs激光异质结构4。如果激光异质结构4使用不同的连接，这些参数可以改变。
通过对SOA的数值计算获得了下面的结果：
●从有源增益区进入辐射输入-输出区17的净流出辐射的损耗因数
αOR(cm-1)是：αOR=177.2cm1；
●从有源增益区进入接触层9的流出辐射的损耗因数α′OR=1×10- 5cm-1；
●辐射输入-输出区17的激光异质结构4的集合的有效折射系数neff=
3.4775；
●垂直于激光异质结构4层和辐射输入-输出区17的层的平面的放
大辐射的近场分布(见图5)；
●放大辐射强度的对应远场分布。
根据假设的参数，我们也确定了例1中SOA的尺寸：
●从有源增益区进入辐射输入-输出区17的辐射的流出角φ=
9°30′；
●从有源增益区进入辐射输入-输出区17的辐射的流出辐射的输出
效率η1=0.8986；
●输入辐射的输入效率η2in和输出辐射的输出效率η2，输入辐射效
率和输出辐射效率与通过辐射输入-输出区17对应辐射的光学损
耗(吸收)和对应第二光学刻面18和19的反射损耗有关，η2=η2in
≈0.99；
●微分效率是：ηg=η1×η2=0.9；
●在工作电流3.825A时，放大辐射的输出功率Pout是4.32W；
●输出辐射指向有源层平面的角，该角等于流出角φ=9°30′，在垂
直面内的发散角θ⊥是3.96mrad；
●在水平面内的有效发散角θ⊥是6.12mrad；
●输入和输出口径的面积分别是Sin=2475平方微米，Sout=39600
平方微米；
●在第二光学刻面的输出光学表面上的输出放大辐射的强度是：ρ′19
=1.09×104W/cm2。
在上述考虑的SOA设计中，如图7-9所示，可以修改激光异质结构4层和辐射输入-输出区17。如果进行了修改，SOA的特性将按下述变化。
在图7中，邻近辐射输入-输出区的覆盖层25由两个子区26和27构成。选择0.2微米的厚度毗连子区27第一光学刻面，其长度是LAGR的0.03倍，我们将在第一光学刻面15的有源增益区的表面上获得辐射功率密度的减少。
在图8中，辐射输入-输出区17由子层构成：第一子层28是30微米厚，并是电传导的(载流子浓度是3×1018cm-3)，第二子层29是轻掺杂浓度，1×1016到1×1017cm-1。在这种情况下，可以减少吸收损耗，增加SOA的效率，在辐射输入-输出区17的第二子层29附加减少了光学损耗因数αIOR。如图12所示，电阻接触11直接与子层28形成。注意，如图11所示，在Win和Wout的数值较小情况下，电阻接触可由覆盖层18的子层之一形成，该子层邻近辐射输入-输出区17。
在图9中，能带隙小于有源层6的Ea的轻微掺杂的附加半导体层30被放置在侧相对激光异质结构4辐射输入-输出区17上，例如，半导体层30由In0.5 Ga0.5As制成。层30的存在使得SOA的运行更加稳定，结果是吸收了可能的寄生光学反射，同时，能够减少电阻接触11的电阻。此外，如果需要，SOA运行的稳定性可以改变第二光学刻面19的倾斜值来加强，以便来自第二光学刻面19反射的放大辐射没有入射在有源增益区。
如图1、2和10所示，在SOA的另一个实施例中，由条带宽度Win=Wout=200微米形成有源区；所选择的辐射输入-输出区17在LIOR-I的等级上的长度LAGR和厚度dIOR是10000微米和1700微米。注意，当这样选择时，满足了条件(10)。前面考虑的SOA的第一实施例，选择主源1的输出功率是4.32W(工作电流是3.825A)。用于定型输入辐射的光学系统2没有呈现，主源1的输出辐射直接发送到垂直第二光学刻面的面上(图1为示出)。这个实施例的主要区别是在SOA的输出端增加了放大辐射的功率(Pout是72W)，在垂直面减小了发散角θ⊥(θ⊥等于0.6mrad)。
图13-16所示的SOA的另一个实施例不同于上述的第二光学刻面倾斜角的尺寸。对于SOA(见图13)，两个光学刻面18和19与垂直面平行。这就使得对准输入辐射的输入角δ和放大输出衍射限制辐射的折射角ε相同：
δ=ε=arcsin(nIORsinφ)=35°30′。
在SOA的下一个实施例中(见图14)，第二光学刻面18与垂直面平行，第二光学刻面19的倾斜角φ4等于流出角φ，特别是9°30′。这个实施例与前面的不同，在该实施例中，放大辐射从垂直它的光学刻面19出现(折射角ε是零)。
对于SOA(见图15)，辐射输入-输出区17的两个光学刻面18和19以等于(π/2-φ/2)的倾斜角Ψ3和Ψ4形成，在该例中是40°15′，该角是相对于辐射输入-输出区17的内表面20的钝角。在此，对准输入辐射和放大输出辐射指向垂直于辐射输入-输出区17的外表面21。
图6显示了双通道SOA的一个实施例，在该例中，输入辐射的放大不仅在有源增益区的向前移动期间发生，也在返回移动期间发生，结果，对第一光学刻面15和第二光学刻面19形成涂层31。如图13的SOA一样，后者与垂直面平行。在双通道SOA的实施例中，使用长度LAGR具有较高的效率；在此，在第二光学刻面18上的放大辐射的输入和输出被空间分隔，角度δ和ε的值与图13中的SOA相同。
建议图17-18所示的多波束SOA的设计用于光纤通信，并用于分支通信网络中的光功率放大器的制造。在这些SOA中，辐射输入-输出区17由一系列子区31构成，这些子区相互之间等间距地沿增益轴依次放置，并由第二光学刻面18和19分隔。在图17的SOA实施例中，除了第二光学刻面18由主源1提供输入辐射外，每一个子区32以相互之间相等的倾斜角Ψ3和Ψ4形成第二光学刻面18和19，其值是40°15′。如图1所示的SOA实施例一样，主源1的输入辐射输入进AC3。在穿过辐射输入-输出区17的第一子区32之后，如前所述，在前面提到的子区32的第二光学刻面19的反射通过输出表面之后，该输出表面是在辐射输入-输出区17的外表面21上的第二光学刻面19的凸台上，辐射将被输出。传输在有源增益区的放大辐射的剩余量将进入辐射输入-输出区17的下一个类似的第二子区32。前面提到的处理将在辐射输入-输出区17的所有子区32中依次重复。
在SOA的多波束AC3的另一个实施例中(见图17)，每一个子区32的第二光学刻面18和19相对有源区6的锐角，并在辐射输入-输出区17的内表面20上交叉。把输入辐射输入第一子区32由类似的图13设计的SOA完成。流出的放大辐射的输出在激光异质结构4的方向根据第二光学刻面19的总内部反射实施。前面提到的刻面的倾斜角φ4的取值范围是(π/4+φ/2-σ/2)到(π/4+φ/2+σ/2)，该值是51°(流出角φ是9°30′)。在光线出现的点上，接触层9和电阻接触10被除去，涂敷了抗反射层16。
图9-24显示了SOA的另一个修改，包括将其集成在一起(见图21-24)。在后者，实现辐射的输出-输入-输出统一在辐射输入-输出区17内。
SOA(见图19和21)将被作为主源1，在SOA中，第二放大部件(MS-AC1)(见图19)类似于AC3或第二有源增益区(见图21)在缺乏反馈时，该第二放大部件将在分立(见图19)和集成设计(见图21)中是方向性的超发光辐射的源。为把输入辐射从MS-AC1有效输入到AC3，选择流入角ξ和流出角φ相等，MS-AC1(见图19)和集成的SOA(见图21)的外表面21形成反射(来自表面的总内反射)。
为实现MS-AC1作为相干发射机(见图20)，选择图14所示的AC3的设计，在第一光学刻面14和15、第二光学刻面18、部分第二光学刻面19上形成反射涂层31。在这种情况下，通过产生反馈，MS-AC1获得了激光二极管的特性，在第二光学刻面18上从反射涂层31反射之后，而没有使用任何光学系统，由MS-AC1产生的流出辐射有效地耦合到AC3。在此，AC3的第二光学刻面18必须与MS-AC1的第二光学刻面19平行。
图21-24所示的SOA(与图19-20不同)包括几个互连的AC3，其运行在多级放大器电路中：一个放大器的放大辐射输出是下一个放大器的输入。主源1和用于图21-23的SOA的AC3的有源增益区沿着辐射输入-输出区17的内表面的增益轴放置。在此，获得的有源增益区之间的耦合是垂直于它们的辐射输入-输出区17的外表面的总内反射的结果；有源增益区的启始点之间的纵向距离是2dIOR/tanφ。
对于图24所示的SOA，以主源1为起点，有源增益区交替地放置在辐射输入-输出区17的反面。在反面上的有源增益区的启始面之间的距离是dIOR/sinφ。
使用分立部件(见图19)SOA的特点是用于AC3的辐射输入-输出区17的厚度大于MS-AC1中的辐射输入-输出区17的厚度。在没有降低其它参数时能够减少放大输出辐射的发散角的衍射，同样，如果需要，在多级放大器的情况中，可以增加有源区之间的距离。
集成SOA(见图24)的特点是，为了在一个波长有效的发射激光，在主源1的有源增益区内的光学反馈由分布的导向微反射器33形成，我们已知微反射器的间隔与产生辐射的波长有关(半导体激光和光集成电路手册，1994,402-407页)。AC3的有源增益区是可以扩大的，所以，AC3的每一个依次有源增益区的宽度Win超过前面一个有源增益区的宽度Wout，所以放大辐射的损耗是不重要的。SOA放大输出辐射不仅区别了单频性质，也在低散光的垂直和水平面内获得具有小发散角的高输出功率的能力。
因此，与现有技术相比(L.Goldberg,IEEE量子电子学杂志(1993),29卷第6册，2028-2042页)，在建议的SOA中，AC3的输入和输出口径增加超过200倍，输入辐射和放大输出辐射的发散减小了相同的倍数(在此，获得了两个相互垂直方向的衍射-发散辐射)，SOA中增益区的有效长度增加了6.6倍，输出辐射功率增加了几乎30倍。
商业应用性
除了注入式激光器以外，使用半导体光学放大器泵激固态和光纤激光器，在光谱的可见区域(红、绿、蓝光)建立激光辐射，在现代光纤通信系统中，在非线性光学晶体、医疗仪器、激光处理设备，长距离能量和数据传输系统中作为二次谐波产生。
| 辐射区和层的名称和编号 | 层的合成物 | 层的厚度d(微米) | 折射率n | 传导类型 | 载流子浓度Ne(cm-3) | 光学损耗因数α(cm-1) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 接触层9 | GaAs | 0.3 | 3.25 | P | 2×1019 | 20.0 |
| 覆盖层7、23 | Al0.5Ga0.5As | 1.2 | 3,25 | P | 1×1018 | 7.0 |
| 层7、22 | GaAs | 0.3 | 3.525 | -- | -- | 2.0 |
| 有源层6 | In0.2Ga0.8As | 0.008 | 3.63 | 2.0 | ||
| 覆盖层8、24 | GaAs | 0.2 | 3.525 | -- | -- | 2.0 |
| 层8、25 | Al0.15Ga0.85As | 0.512 | 3.45 | N | 1×1018 | 2.0 |
| 辐射输入-输出区15-17 | GaAs | 260.0 | 3.525 | N | 1×1018 | 0.001 |
Claims (51)
1．一种半导体光学放大器，包括：输入辐射的主源，当放大器正在运行时，主源以输入角δ被输入到光学上耦合到源的放大部件，所述的放大部件是根据半导体激光异质结构实现的，该异质结构包括具有折射系数nα的有源层和位于两个覆盖层之间的能带隙Ea(Ev)，每一个异质结构至少有一个子层，同样，包括在前端宽度Win(微米)和末端宽度Wout(微米)及长度LAGR(微米)的有源增益区，第一光学刻面界定了有源增益区的前后端，并对着垂直于有源层纵轴平面的倾斜角Ψ1和Ψ2，该平面称为垂直面，同样，也包括涂层，电阻接触，壁垒区，和抑制寄生辐射的装置，其特征在于形成的输入辐射作为对准辐射，在输入表面上，输入角δ等于辐射的入射角，放大部件至少有一个有源增益区，在该有源增益区内，至少在激光异质结构的一侧引入至少一个附加层，邻近激光异质结构的附加层被指定为辐射的输入-输出区，该区是透光的，并至少由一个子层形成，相邻的覆盖层的子层和辐射输入-输出区的子层至少分别形成一个区和一个子区，在称为内表面的激光异质结构边界一侧上的辐射输入-输出区的表面由不短于长度LAGR的长度LIOR-1(微米)形成；至少两个附加的第二光学刻面对着垂直面的倾斜角Ψ3和Ψ4，输入-输出区的宽度和厚度dIOR(微米)不小于有源增益区的宽度和厚度，子层的折射系数nIORQ和光学损耗因数αIORQ(cm-1)从激光异质结构的边界计数，其中q=1、2…,p定义为整数，其表示辐射输入-输出区的子层的顺序数，在工作装置中，在具有辐射输入-输出区的覆盖层的子层的边界上，来自有源层的放大辐射能量的净损耗因数αOR(cm-1)从范围下限αORmin(cm-1)的边界值的范围内选择出来，在放大器正在运行时，把供给到有源增益区的电功率的最小允许值转换成为放大辐射功率，在范围的上限αORMAx(cm-1)，通过工作电流强度的最大允许值，在辐射输入-输出区中，由输入辐射前端和输出放大辐射前端与激光异质结构的有源层平面垂直形成的角分别被指定为流入角ξ和流出角φ，在辐射输入-输出区中，输出辐射的总内部反射的角度被指定为反射角σ，取决于倾斜角Ψ3的输入角δ由选择流入角ξ等于流出角φ确定；角ξ和σ满足关系：
ξ=arccos(neff/nIORI)和σ=arcsin(1/nIORq)考虑到从激光异质结构满足辐射流出的条件，激光异质结构的有效折射系数neff、连同辐射输入-输出区，辐射输入-输出区的折射系数nIORI满足关系：
0＜arccos neff/nIORI≤arccos neff-min/nIORI，所以neff-min大于nmin，式中neff-min是用于激光异质结构多样性的所有可能的neff的最小值，在与辐射输入-输出区集合之后，就是实际的值，nmin是激光异质结构层的最小折射系数。
2．按权利要求1所述的装置，其特征在于选择的Win(微米)等于Wout(微米)。
3．按权利要求1所述的装置，其特征在于选择的Wout(微米)等于Win(微米)。
4．按权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于当装置正在运行时，辐射输入-输出区由具有对放大辐射的波长λ(微米)透光的普带的光学异质结构材料构成。
5．按权利要求4所述的装置，其特征在于辐射输入-输出区由大于Ea(eV)0.09Ev的具有能带隙EIORI的半导体制成。
6．按权利要求1或2或3或4或5所述的装置，其特征在于选择的厚度dIOR是在5-50000微米范围内。
7．按权利要求1或2或3或4或5或6所述的装置，其特征在于有源层的中面与附加层的内表面有一定距离，以便当放大器运行在不超过最大值的20％时，在上面提到的有源层的中面内出现放大辐射的强度。
8．按权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的装置，其特征在于至少制成激光异质结构覆盖层的子层之一具至少nIORI的折射系数。
9．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的装置，其特征在于邻近辐射输入-输出区的激光异质结构层至少由两个区形成，两个区的边界表面与有源层的平面垂直。
10．按权利要求9所述的装置，其特征在于邻近区的折射系数是不同的。
11．按权利要求9所述的装置，其特征在于邻近区的厚度是不同的。
12．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11所述的装置，其特征在于外附加层由吸收放大辐射的材料制成。
13．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11所述的装置，其特征在于形成的附加层是电传导的。
14．按权利要求13所述的装置，其特征在于电阻接触形成在附加层的自由面。
15．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12所述的装置，其特征在于形成的辐射输入-输出区是电传导的。
16．按权利要求15所述的装置，其特征在于电阻接触形成在辐射输入-输出区的表面。
17．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或15或16所述的装置，其特征在于辐射输入-输出区的光学损耗因数αIORq不超过0.1cm-1。
18．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或15或16所述的装置，其特征在于两个子层形成辐射输入-输出区，邻近激光异质结构层的第一子层是电传导，由光学损耗因数αIOR2不超过0.1cm-1的材料制作第二子层。
19．按权利要求18所述的装置，其特征在于辐射输入-输出区的第一子层形成电阻接触。
20．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或17所述的装置，其特征在于辐射输入-输出区端与位于有源层和辐射输入-输出区之间的覆盖层的电传导子层之一形成电阻接触。
21．按权利要求20所述的装置，其特征在于在具有最小能带隙的电传导层形成电阻接触。
22．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，在辐射-输入端上的具有抗反射涂层的第二光学刻面与垂直面平行，选择的输入角δ满足条件arcsin(nIORqsinξ)。
23．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，抗反射涂层形成在由输入口径尺寸确定的辐射输入-输出区的表面部分，并相对它的内表面和毗邻辐射输入侧的第二光学刻面，输入辐射对着有源层的面的钝角，该钝角以下列公式范围选择的倾斜角Ψ3形成：
[(π/4)-(ξ/2)-(σ/2)]到[(π/4)-(ξ/2)+(σ/2)]。
24．按权利要求23所述的装置，其特征在于选择的倾斜角Ψ3等于[(π/4)-(ξ/2)]，输入辐射的指向垂直于输入表面。
25．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，在辐射输入侧上的具有抗反射涂层的第二光学刻面对着有源层的平面的锐角，从下列范围选择倾斜角Ψ3：
(ξ-σ)到(ξ+σ)。
26．按权利要求25所述的装置，其特征在于选择的倾斜角Ψ3等于流入角ξ，输入辐射的指向垂直于输入表面。
27．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，在辐射输出侧上的具有抗反射涂层的第二光学刻面对着有源层的平面的锐角，从下列范围选择倾斜角Ψ4：
(φ-σ)到(φ+σ)。
28．按权利要求27所述的装置，其特征在于选择的倾斜角Ψ4等于流出角ψ。
29．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，在辐射输出侧上的具有抗反射涂层的第二光学刻面与垂直面平行，选择的流出角ψ小于上面提到刻面的总内反射角σ。
30．按权利要求29所述的装置，其特征在于抗反射涂层形成在第二光学刻面之一上，所述刻面与垂直面平行，抗反射涂层形成在与第二光学刻面相对的另一面，并且，辐射输入通过该面的一部分，该面由输入口径的尺寸确定，从第二光学刻面与辐射输入-输出区的内表面的边界上开始，并位于不大于LAGR·tanφ的距离上，辐射输出是在相同的面不同的部分上。
31．按权利要求30所述的装置，其特征在于反射涂层形成在邻近具有反射涂层的第二光学刻面上的第一光学刻面上。
32．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21所述的装置，其特征在于，抗反射涂层形成在该表面的一部分上，该部分由输出口径的尺寸和辐射输入-输出区的尺寸确定，该部分相对后者的内表面，并邻近辐射输出侧上的第二光学刻面，输出侧对着有源层的平面的钝角，以下列公式范围选择形成的倾斜角Ψ4：
[(π/4)-(φ/2)-(σ/2)]到[(π/4)-(φ/2)+(σ/2)]。
33．按权利要求32所述的装置，其特征在于选择的倾斜角Ψ4是[(π/4)-(φ/2)]，输出辐射的指向垂直于输出表面。
34．按权利要求27或28或32或33所述的装置，其特征在于辐射输入-输出区至少由两个子区形成，第一个子区光学上耦合到主源，子区由第二光学刻面分隔，用于每一个子区的辐射输出。
35．按权利要求34所述的装置，其特征在于在辐射输出侧的第二光学刻面并对着有源层的平面的锐角按下列公式范围选取形成的倾斜角Ψ4：
[(π/4)+(φ/2)-(σ/2)]到[(π/4)+(φ/2)+(σ/2)]，抗反射涂层形成在相对辐射输入-输出区位置的激光异质结构表面上的投射区域上。
36．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21或27或28或29或32或33所述的装置，其特征在于，对于每一个增益区，至少具有相等的流入角ξ和流出角φ，的两个有源增益区形成在辐射输入-输出区的相同表面上。
37．权利要求36所述的装置，其特征在于沿着平行于辐射输入-输出区的表面和有源层的平面的单线至少形成两个有源增益区，在有源区开始之间具有2 dIOR/tanφ的间隔。
38．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21或27或28或29或32或33所述的装置，其特征在于，对于每一个增益区，至少具有相等的流入角ξ和流出角φ，的两个有源增益区形成在辐射输入-输出区的相反表面上。
39．按权利要求38所述的装置，其特征在于沿着相互之间平行并在反面上的双线之一至少形成一个有源增益区，在反面上的有源区开始之间具有最短的距离dIOR/sinφ。
40．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21或27或28或29或30或31或32或33所述的装置，其特征在于输入辐射的主源被形成为第二个放大部件(AC)。
41．按权利要求40所述的装置，其特征在于反射器被引入第二放大部件的有源增益区。
42．按权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16或17或18或19或20或21或27或28或29或32或33所述的装置，其特征在于，主源的有源增益区放置在放大部件的辐射输入-输出区，主源的有源增益区的流出角ψ等于放大部件的有源增益区的流入角ξ。
43．按权利要求42所述的装置，其特征在于反射器被引入主源的有源增益区。
44．按权利要求42或43所述的装置，其特征在于主源和放大部件的有源增益区是在辐射输入-输出区的相同内表面上。
45．按权利要求44所述的装置，其特征在于主源和放大部件的有源区是在平行于辐射输入-输出区的表面和有源层的平面的相同线上，在有源区开始之间具有2 dIOR/tanψ的间隔。
46．按权利要求42或43所述的装置，其特征在于主源和放大部件的有源增益区是在辐射输入-输出区的反表面上。
47．按权利要求46所述的装置，其特征在于沿着相互之间平行并在反面上的双线的每一线形成主源和放大部件的有源增益区，并位于反面，在反面上的有源区开始之间具有最短的距离dIOR/sinψ。
48．按权利要求36或37或38或39或40或41或42或43或44或45或46或47所述的装置，其特征在于至少辐射输入-输出区的一个表面的至少一部分形成反射。
49．按权利要求41或42或43或44或45或46或47或48所述的装置，其特征在于反射器被作为反射涂层。
50．按权利要求41或42或43或44或45或46或47或48所述的装置，其特征在于反射器是分布的布拉格反射器。
51．按权利要求41或42或43或44或45或46或47或48所述的装置，其特征在于反射器是沿着主源的有源增益区的整个长度的分布的反馈反射器。
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