RU2110875C1 - Semiconductor optical amplifier - Google Patents
Semiconductor optical amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2110875C1 RU2110875C1 RU96115456A RU96115456A RU2110875C1 RU 2110875 C1 RU2110875 C1 RU 2110875C1 RU 96115456 A RU96115456 A RU 96115456A RU 96115456 A RU96115456 A RU 96115456A RU 2110875 C1 RU2110875 C1 RU 2110875C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- output
- heterostructure
- region
- gain
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к высокомощным одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источником излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волокнистых лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра (красного, зеленого и синего излучения) за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах, используются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования. The invention relates to quantum electronic technology, namely to a high-power single-mode and / or single-frequency highly coherent radiation source, which are used to pump solid-state and fiber lasers, to create laser radiation sources in the visible region of the spectrum (red, green and blue radiation) by generating a second harmonics in nonlinear optical crystals, are used in systems for transmitting energy and information over long distances, as well as in the creation of medical equipment, laser techno logical equipment.
Полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) - также один из важнейших элементов современных волоконно-оптических систем связи и передачи информации. Входом ПОУ являются оптические сигналы, чаще всего лазерного излучения. Semiconductor optical amplifier (POU) is also one of the most important elements of modern fiber-optic communication systems and information transfer. The input of the POC are optical signals, most often laser radiation.
Известны различные типы оптических усилителей: волоконно-оптические усилители с накачкой от полупроводниковых лазеров [1] и ПОУ, в которых усиление входных оптических сигналов происходит непосредственно в активной области лазерных гетероструктур. Various types of optical amplifiers are known: fiber-optic amplifiers pumped by semiconductor lasers [1] and POEs, in which the amplification of the input optical signals occurs directly in the active region of laser heterostructures.
Волоконно-оптические усилители обладают рядом значительных достоинств и применяются сегодня как во всем мире, так и в отечественных системах волоконно-оптической связи. Однако ПОУ в силу своих особенностей: малые габариты, потенциально меньшая стоимость, возможность их интегрирования в оптоэлектронные схемы, безусловно имеют большие перспективы их использования при построении сложных, в частности, разветвленных сетей связи. Fiber-optic amplifiers have a number of significant advantages and are used today both throughout the world and in domestic fiber-optic communication systems. However, POC due to its features: small dimensions, potentially lower cost, the ability to integrate them into optoelectronic circuits, certainly have great prospects for their use in building complex, in particular, branched communication networks.
Известные к настоящему времени ПОУ имеют конструкции, содержащие один оптический вход и один оптический выход после усиления слабого входного сигнала [2]. В то же время, для простых и эффективных схемотехнических решений сложных разветвленных сетей связи желательно было бы иметь ПОУ, которые бы при одном оптическом входе имели бы несколько оптических выводов усиленного входного сигнала. Однако величины выходных сигналов известных ПОУ не достаточны для решения подобных задач. Currently known POAs have designs containing one optical input and one optical output after amplification of a weak input signal [2]. At the same time, for simple and effective circuitry solutions for complex branched communication networks, it would be desirable to have a POE that would have several optical outputs of an amplified input signal at one optical input. However, the values of the output signals of the known POEs are not sufficient to solve such problems.
Однако в настоящее время известны ПОУ с повышенной выходной мощностью излучения за счет формирования расширяемой области усиления [3, 4]. В то же время данной конструкции ПОУ свойственны определенные недостатки - трудности ввода излучения одновременно в несколько волокон для создания разветвленных сетей связи и недостаточная выходная мощность в ПОУ при большом числе разветвителей. However, POCs with increased output radiation power due to the formation of an expandable gain region are currently known [3, 4]. At the same time, this design of the POC has certain drawbacks - difficulties in introducing radiation simultaneously into several fibers to create branched communication networks and insufficient output power in the POC with a large number of splitters.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый оптический усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктурную с активным слоем, содержащую активную область усиления, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями и средства подавления паразитных излучений. The closest in technical essence to the invention is a semiconductor optical amplifier, comprising a multilayer heterostructured active layer placed on a semiconductor substrate, containing an active amplification region, ohmic contacts, radiation output means with coatings and means for suppressing spurious emissions.
Основные особенности конструкции известного ПОУ могут быть пояснены с помощью фиг. 1. The main design features of the known POA can be explained using FIG. one.
ПОУ выполнен в полупроводниковой многослойной гетероструктуре 1, помещенной на подложке 2, и состоит из полосковой активной области усиления (ПАОУ) 3, заканчивающейся средством 4 - вывода усиленного излучения просветленной сколотой гранью гетероструктуры 1. С этой целью на нее нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5 с глубоким просветлением R≈5•10-4. Выходная апертура усилия равна 4 - 5 мкм. Кроме того, в конструкции ПОУ предусмотрены средства, обеспечивающие подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала, способных сорвать одномодовый режим его работы. Ими в известном ПОУ [4] являются те же антиотражающие покрытия 5.The POC is made in a semiconductor multilayer heterostructure 1, placed on the
Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выходе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения ПОУ и повышение эффективности теплоотвода. The technical task of the present invention is to increase the effective length of the radiation gain in the optical amplifier when the radiation exits through the surface, which provides a significant increase in the output radiation power and its density for various operating modes, as well as narrowing and the ability to control the radiation pattern of the total radiation in the far field due to phased addition diffraction-limited output single-mode and / or single-frequency radiation, reduction of astigmatism of the aggregate over POC emission areas and increase heat removal efficiency.
Предложен полупроводниковый оптический усилитель, в котором активная область усиления сформирована по крайней мере из двух ячеек усиления, составляющих по крайней мере одну линейку усиления, ячейки соединены средством вывода излучения, выполненым в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводного излучения. Причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению к входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки. При этом введен угол ψ, образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемый в диапазоне. A semiconductor optical amplifier is proposed in which the active gain region is formed of at least two gain cells constituting at least one gain line, the cells are connected by radiation output means made in the form of additionally introduced recesses with a reflector and a region transparent to the output radiation. Moreover, the recess is located on the surface side of the heterostructure, the reflector is placed on the inclined surface of the recess frontal with respect to the input of the optical amplifier. In this case, the angle ψ was introduced, formed by the direction of the notch reflector rib on the surface of the heterostructure with the direction of the lateral sides of the strip gain region, selected in the range.
π/2 - arcsin 1/n < ψ < π/2 + arcsin 1/n,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также введен угол φ, образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемый в диапазоне
1/2 arcsin 1/n < ψ < π/2 - arcsin 1/n.
Дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии Pвх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, в области, прозрачной для вывода излучения, ограниченной дном выемки, а также задаваемом полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры. При этом поток энергии Pвх выбран в диапазоне 0,95...0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке обратно пропорционально потоку энергии Pвх. Далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения, по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.π / 2 - arcsin 1 / n <ψ <π / 2 + arcsin 1 / n,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation, and the angle φ is introduced, formed by the normal mentally drawn in the plane of the active layer to the line of intersection of its plane with the plane of the recess reflector with a normal to the surface of the recess reflector, selected in the range
1/2 arcsin 1 / n <ψ <π / 2 - arcsin 1 / n.
The bottom of the recess in relation to the surface of the heterostructure is placed at a distance specified by the energy flux P in of amplified radiation propagated during operation of the device, which is defined in the cross section of the heterostructure normal to its layers, at the beginning of the gain cell, in the region transparent for outputting radiation limited to the bottom recess, as well as specified by the total gain in the specified cell, depending on the given pump current, the length of the specified cell and the design of the heterostructure. In this case, the energy flux P in selected in the range of 0.95 ... 0.001 of the total energy flux of the amplified radiation at the end of the previous amplification region, and the total gain in this cell is inversely proportional to the energy flux P in . Further, in the area transparent to the output radiation and located along the propagation during the operation of the device of the radiation extraction reflected from the reflector, radiation output surfaces are introduced at least on one side adjacent to the external output surface, and the means for suppressing spurious emissions are made in at least a heterostructure in the form of an area located after the final excavation.
Активная область усиления может быть выполнена различной конфигурации. Например, активная область усиления может быть выполнена шириной f по всей ее длине. The active amplification region can be made in various configurations. For example, the active amplification region can be made of width f along its entire length.
Для сохранения одномодового и/или одночастотного режима работы и получения дифракционного ограниченного излучения: первая от входа ячейка активной области усиления выполнена расширяемой от входа шириной b до ширины f, а остальные ячейки выполнены шириной f; начальная часть от входа первой ячейки выполнена шириной b, а продолжающая ее часть первой ячейки выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, остальные ячейки выполнены шириной f. To maintain a single-mode and / or single-frequency mode of operation and to obtain diffraction limited radiation: the first cell from the input of the active gain region is made expandable from the input of width b to width f, and the remaining cells are made of width f; the initial part from the entrance of the first cell is made of width b, and the continued part of the first cell is made expandable from width b to width f, the remaining cells are made of width f.
Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки и получения различных направлений вывода предложены различные варианты. Various options have been proposed to reduce losses during radiation removal after reflection from the recess reflectors and to obtain different output directions.
При непрозрачной для выходного излучения подложке в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ), превышающую отношение 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5...100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в веденном слое. When the substrate is opaque to the output radiation in a multilayer heterostructure, the layer between the substrate and the adjacent emitter has a semiconductor layer having a band gap (eV) exceeding the ratio of 1.24 to the wavelength (μm) of the generation of laser radiation propagated during operation of the device, and a thickness in the range of 5 ... 100 μm, and the surface of the radiation output is placed in the led layer.
При выводе излучения по нормали к слоям гетероструктуры в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол ψ выбран равным π/2 , а угол φ выбран равным π/4 . When radiation is output normal to the layers of the heterostructure in the case of a flat radiation output surface parallel to the layers of the heterostructure, the angle ψ is chosen equal to π / 2, and the angle φ is chosen to be π / 4.
Для снижения потерь в предшествующем случае в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения задающего лазера, распространяющегося во время работы устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоев эмиттера и прилегающего к нему полупроводникового слоя. To reduce losses in the previous case, in the multilayer heterostructure, the layer between the emitter and the semiconductor layer adjacent to it by the semiconductor layer external to the radiation output side has a semiconductor layer with an optical thickness equal to a quarter of the radiation wavelength of the master laser propagating during operation of the device and with a refractive index equal to the square root of the product of refractive indices for the emitter layers and the adjacent semiconductor layer.
Для вывода излучения по нормали к плоскости слоев гетероструктуры, в частном случае по нормали к поверхности подложки, и при исключении переотражений в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол ψ для которого выбран равным π/2:
а) при выборе угла φ меньшим π/4 угол ε задан соотношением
η•sin{ε-[(π/2)-2φ]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения;
б) при выборе угла φ большим π/4 угол ε задан соотношением
n•sin{ε-[2φ-π/2)]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.To output radiation along the normal to the plane of the layers of the heterostructure, in the particular case along the normal to the surface of the substrate, and excluding re-reflections in the case of a flat surface of the radiation output, inclined at an angle ε to the external output surface and intersecting it along a line parallel to the notch edge, the angle ψ for which it is chosen equal to π / 2:
a) when choosing the angle φ less than π / 4, the angle ε is given by
η • sin {ε - [(π / 2) -2φ]} = sinε,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation;
b) when choosing the angle φ large π / 4, the angle ε is given by
n • sin {ε- [2φ-π / 2)]} = sinε,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation.
В следующем случае для уменьшения паразитных отражений и переотражений предложено по периметру оптического усилителя средства подавления паразитных излучений выполнять в виде канавок глубиной, не менее глубины расположения слоев гетероструктуры, со стороны боковых границ активных областей излучения. При этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых паразитных излучений и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значения не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем в канавки введен материал, поглощающий излучение, и предложено в качестве него выбрать полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) излучения, вводимого при работе устройства. При этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения. In the following case, in order to reduce spurious reflections and rereflections, it is proposed along the perimeter of the optical amplifier to suppress spurious emissions in the form of grooves with a depth not less than the depth of the heterostructure layers, from the side boundaries of the active radiation regions. Moreover, the sides of the grooves closest to them are placed at angles of total internal reflection to the preferred direction of suppressed spurious emissions and at distances at which during the operation of the device a lateral decrease in the radiation intensity is ensured to a value of no more than 0.1 of its maximum value in the corresponding active cross section area. Moreover, radiation absorbing material was introduced into the grooves, and it was proposed to select a semiconductor material having a band gap (eV) of not more than 1.24 ratio to the wavelength (μm) of radiation introduced during operation of the device. In this case, the width of the grooves is chosen at least at least three times the inverse value of the absorption coefficient of the semiconductor material for the specified radiation wavelength.
Для достижения более высокой плотности расположения областей излучения в оптическом усилителе сформированы различные варианты при фазированном сложении достигнуть значительного сужения диаграммы направленности суммарного излучения и плотности мощности (выше суммарной) в дальнем поле. При этом полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающей по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающей внешние боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления. To achieve a higher density of the radiation regions in the optical amplifier, various options are formed with phased addition to achieve a significant narrowing of the radiation pattern of the total radiation and the power density (higher than the total) in the far field. In this case, the strip gain region is made of at least two successively arranged gain bars placed at a given angle to each other, and at the point of rotation, the rulers are bounded by a reflector plane that intersects at least the heterostructure layers along the normal and also bounds the outer sides of the strip region reinforcing said rulers in places formed by the intersection of mentally continued inner sides of the strip reinforcement region with its outer sides, and and suppression of spurious emissions is further arranged at least along a portion of the sides of amplification lines.
При этом предложено для фазирования излучения в любой линейке усиления, по крайней мере на одной ячейке усиления, формировать автономный омический контакт. Moreover, it is proposed for phasing radiation in any gain line, at least on one gain cell, to form an autonomous ohmic contact.
Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении новой и оригинальной конструкции усилителя типа бегущей волны 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 усиленного излучения из оптического усилителя при помощи предложенных средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с фронтально размещенными отражателями и областей, прозрачных для выводимого излучения. При этом указанные средства обеспечивают прохождение оставшейся части (обычно, меньшей) этого же усиленного излучения в последующий участок усиления, для которого эта оставшаяся часть излучения является входным сигналом (аналог сигнала задающего внешнего лазера для ПОУ). Последний в этом участке усиления вновь усиливается, возможно до уровня насыщения, и вновь выводится через следующее аналогичное средство вывода излучения. Так процесс поочередного усиления и вывода излучения может быть повторен требуемое число раз. The essence of the present invention is the creation in the integrated performance of a new and original design of an amplifier such as a traveling wave with surface radiation, in which areas with one spectral composition of the output radiation are distributed in a predetermined manner within a linear or two-dimensional area of the luminous body. For the first time in an unobvious way. a part of the amplified radiation was output from the optical amplifier using the proposed radiation output means, made in the form of recesses with frontally placed reflectors and regions transparent to the output radiation. Moreover, these means ensure the passage of the remaining part (usually smaller) of the same amplified radiation to the subsequent amplification section, for which this remaining part of the radiation is an input signal (analogue of the signal from the master external laser for the POC). The latter in this amplification section is again amplified, possibly to the level of saturation, and is again output through the next similar radiation output means. So the process of alternately amplifying and outputting radiation can be repeated the required number of times.
Следовательно, реализовано значительное увеличение эффективной длины усиления излучения в ПОУ за счет обеспечения периодического сброса части излучения и усиления оставшейся части, причем предложение ново, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо. Consequently, a significant increase in the effective length of the radiation gain in the COI has been realized by providing periodic discharge of a part of the radiation and amplification of the remaining part, the proposal being new, has an inventive step and is industrially applicable.
Ясно, что для обеспечения на всей длине области усиления вывода дифракционно ограниченного одномодового и/или одночастотного когерентного излучения необходимо исключить возможность возникновения самовозбуждаемой генерации. Предложенные для этой цели конструкция выемок, их расположение, средства подавления паразитных излучений, средства рассеяния излучений, выполнение областей, прозрачных для выводимых излучений, позволили создать различные модификации предложенного ПОУ, составляющие единый общий изобретательский замысел. It is clear that in order to ensure that the output of the diffraction-limited single-mode and / or single-frequency coherent radiation is output throughout the amplification region, it is necessary to exclude the possibility of self-excited generation. The design of the recesses proposed for this purpose, their location, means of suppressing spurious radiation, means of scattering radiation, and the implementation of areas transparent to the emitted radiation made it possible to create various modifications of the proposed POE that make up a single general inventive concept.
Все это обеспечивает значительное увеличение выходной мощности, ее плотности, дает возможность достигнуть сужения диаграммы направленности суммарного излучения, а также управление ею вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных одномодовых и/или одночастотных выходных излучений и снижения астигматизма от области излучения ПОУ при возможности вывода излучения практически со всей поверхности оптического усилителя, отводов больших количеств выделяемого тепла от активной области усиления и относительной технологической простоты его изготовления. All this provides a significant increase in the output power, its density, makes it possible to achieve a narrowing of the radiation pattern of the total radiation, as well as its control due to the phased addition of diffraction-limited single-mode and / or single-frequency output radiation and the reduction of astigmatism from the radiation region of the POC with the possibility of radiation output from practically all the surface of the optical amplifier, the removal of large amounts of heat from the active amplification region and the relative technological simplicity of its manufacture.
Это позволяет также значительно увеличить количество оптических выводов от ПОУ, а при снижении обратных отражений оптически усиленных сигналов в активные слои усиления при их выводе из ПОУ обеспечить существенное повышение коэффициента усиления ПОУ, кроме того это позволяет упростить ввод выходного излучения в оптическое волокно и значительно снизить затраты при использовании предлагаемых ПОУ в сложных разветвленных волоконно-оптических системах связи. This also makes it possible to significantly increase the number of optical outputs from the POC, and if the back reflections of optically amplified signals to the active amplification layers are reduced, when they are removed from the POC, they can significantly increase the gain of the POC, in addition, this makes it possible to simplify the input of output radiation into the optical fiber and significantly reduce costs when using the proposed POU in complex branched fiber-optic communication systems.
На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое ПОУ, вид сверху; на фиг. 2 - известное ПОУ, вид сверху; на фиг. 3 - продольный разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - 6 - фрагменты продольного разреза А-А на фиг. 2; на фиг. 7 - предлагаемое ПОУ с двухмерной интегральной областью усиления в виде "змейки". In FIG. 1 schematically shows the proposed POU, top view; in FIG. 2 - known POU, top view; in FIG. 3 is a longitudinal section AA in FIG. 2; in FIG. 4-6 are fragments of a longitudinal section AA in FIG. 2; in FIG. 7 - the proposed POU with a two-dimensional integrated amplification region in the form of a "snake".
Предлагаемое устройство ПОУ (фиг. 2 и 3) состоит из ячеек 6 усиления, первая из которых составлена из полоскового участка, названного нами предусилителем 7, и расширяемого участка, названного нами расширяемой областью усиления (РОУ) 8. Ячейки 6 усиления соединены между собой средствами 4 вывода излучения. Вход первой ячейки 6 усиления является входом ПАОУ 3. Ширина ее полоскового участка равна b, РОУ 8 расширена от ширины b до ширины f. Последующие ячейки 6 усиления f составляют ПАОУ 3. В средства 4 вывода большей части усиленного излучения входят выемки 9, на фронтальных гранях которых по отношению к входу ПОУ помещены отражатели 10, а также области 11, прозрачные для выводимого излучения (на фиг. 3 обозначены пунктиром). Выемки 9 имеют глубину x0, определяемую в рассматриваемом случае от поверхности гетероструктуры 1 (в общем случае - от поверхности, противоположной поверхности вывода излучения). Выемки 9 ограничивают с двух сторон каждую ячейку 6 усиления, последовательность которых образует линейку 12 усиления. Выполнены подавляющие паразитное излучение области 13 и 14, поглощающие, либо рассеивающие с дальнейшим поглощением самопроизвольные паразитные отражения и переотражения. Расположены они непосредственно за последней (по ходу усиления) выемкой 9 (торцевые подавляющие области 13) и по обе стороны от всей области усиления оптического усилителя с предусилителем 7 (боковые подавляющие области 14) на расстоянии, на котором боковой спад интенсивности излучения из активных областей усиления достигает не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.The proposed device POU (Fig. 2 and 3) consists of
На фиг. 3 показано, что гетероструктура 1 состоит из активного слоя 15, двух окружающих его эмиттеров 16 и 17, контактного полупроводникового слоя 18, помещенного на эмиттере со стороны, противоположной расположению подложки 2, и омических контактов 19 и 20, где омический контакт 19 является омическим контактом ко всей активной области усиления, включая все его части, а именно, предусилитель 7, РОУ 9 и ПАОУ 3. В ряде случаев возможно автономное выполнение части омических контактов. В подложке 2 выполнен контакт 20. In FIG. Figure 3 shows that the heterostructure 1 consists of an
Активный слой 15 в реальных гетероструктурах 1, в частности с напряженными квантоворазмерными подслоями [5], может включать несколько квантоворазмерных активных подслоев с разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих с эмиттерами 16 и 17 соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли. The
Грани выемки 9 могут быть покрыты упрочняющими защитными покрытиями 21, а фронтальная по отношению к распространяемому усиливаемому излучению - высокоотражающим покрытием 22 (фиг. 3 - 6). The edges of the
Для осуществления вывода излучения через области 11, прозрачные для выводимого излучения, а именно слои гетероструктуры 1 и подложку 2, расположенные по пути прохождения отраженного усиленного излучения от отражателя 10 выемки 9, в подложке 2 выполнены поверхности 23 вывода излучения, свободные от омического контакта 20 и покрытые многослойными диэлектрическими антиотражающими покрытиями 5
На фиг. 4 - 6 на фрагментах разрезов изображены различные варианты размещения отражателей 10 выемок 9 и поверхностей 23 вывода, выполненных либо на поверхности подложки 2 (фиг. 4 и 5), либо в углублениях в подложке 2 (фиг. 6). При этом поверхности 23 вывода могут быть помещены под различными углами ε к плоскостям слоев гетероструктуры 1 в зависимости от наклона отражателя 10, т.е. от величины угла ψ (образован направлением ребра отражателя 10 выемки 9 на поверхности гетероструктуры 1 с направлением боковых сторон ПАОУ 3) и угла φ (образован нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя 15 к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя 10 выемки 9 с нормалью к поверхности отражателя 10 выемки 9).To carry out the output of radiation through
In FIG. 4-6, fragments of sections show various options for the placement of
На фиг. 5 показан дополнительно введенный просветляющий слой 24, помещенный между эмиттером 17 и подложкой 2. In FIG. 5 shows an additionally introduced
На фиг. 7 изображены поворотные отражатели 25 и поворотные ячейки 26 усиления, использованные для создания двумерной интегральной ПАОУ 3 в предложенном ПОУ. In FIG. 7 depicts
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.
Входное излучение (фиг. 2) через вход первой ячейки усиления вводится по полосковой ее части в РОУ 8, в которой усиливается дифракционно расходящееся излучение. Величина усиленного излучения может быть рассчитана с помощью известных методик для определенной гетероструктуры 1 известным образом при знании величины тока, приложенного к РОУ 8, а также длины РОУ 8. Усиленное до заданной величины P0 излучение, попадая на фронтальную наклонную зеркальную грань выемки 9 - отражатель 10, отражается от него и выводится из активного слоя 15. (В данном частном случае, изображенном на фиг. 2 при углах ψ = π/2 и φ = π/4 лучи отражаются под прямым углом в сторону подложки 2). Однако, так как выемка 9 глубиной x0 специально рассчитана и сформирована, из активного слоя 15 выводится не все излучение, а только его часть Pвых. Оставшаяся, обычно меньшая часть, проходит непосредственно под дном выемки 9 и излучение Pвх (обычно не менее 10-3) попадает во вторую ячейку 6 усиления ПАОУ 3. Здесь за счет приложенного к этой ячейке 6 усиления тока накачки, излучение в конце нее вновь может быть усилено практически до насыщения (в зависимости от длины ячейки 6 усиления и силы приложенного тока), вновь отражается от отражателя 10 следующей выемки 9 и выводится из активной области ячейки 6 усиления и т.д.The input radiation (Fig. 2) through the input of the first amplification cell is introduced along its strip part in
На фиг. 3 (продольный разрез, перпендикулярный слоям гетероструктуры 1) показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 15. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 15, вдоль оптической оси симметрии, а спадающие хвосты распределения захватывают эмиттеры 16 и 17. In FIG. 3 (a longitudinal section perpendicular to the layers of the heterostructure 1) shows a schematic distribution of the intensity I (x) of the radiation propagating along the
Расчет распределения интенсивности излучения I(x) для конкретной гетероструктуры 1 при заданных составах и толщинах всех ее слоев в настоящее время не представляет трудностей [6]. Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки через сечение, нормальное к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен
kPo=K∫oI(x)dx = ∫xI(x)dx,
где
P0 - полный поток мощности излучения через гетероструктуру 1.The calculation of the distribution of the radiation intensity I (x) for a specific heterostructure 1 for given compositions and thicknesses of all its layers does not presently present difficulties [6]. For each specific dependence I (x) obtained, the radiation power flux in the heterostructure 1 passing under the bottom of the notch through a section normal to the plane of the layers of the heterostructure 1 is
kP o = K∫ o I (x) dx = ∫ x I (x) dx,
Where
P 0 is the total flux of radiation power through the heterostructure 1.
При выбранном значении k, равном, например 0,1, можно найти x0, то есть расстояние, на которое дно выемки должно быть отдалено от оптической оси усилителя. Было определено, что практически для реализации изобретения Pвх выбирают в диапазоне (0,99...0,001)P0.With a chosen value of k equal to, for example, 0.1, you can find x 0 , that is, the distance by which the bottom of the notch should be distant from the optical axis of the amplifier. It was determined that, for practicing the invention, P in is selected in the range (0.99 ... 0.001) P 0 .
Указанный диапазон изменения k=0,99...0,001 может быть также обоснован известными данными [7] и проведенными оценками. The indicated range of variation k = 0.99 ... 0.001 can also be justified by the known data [7] and the estimates made.
Поток энергии, равный (1-k)P0 = P, будет выведен из гетероструктуры 1 в направлении подложки 2, за вычетом потерь, в основном дифракционных, связанных с таким выводом. Эти потери будут пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателем выемки, превышает значение длины волны генерируемого излучения, распространяемого в гетероструктуре. Это означает, что практически для используемых гетероструктур указанное выше условие выполнимо.An energy flux equal to (1-k) P 0 = P will be removed from the heterostructure 1 in the direction of the
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 Pвх, поступающим в следующую ячейку генерации. 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.The proportion of the total flux equal to kP 0, minus losses associated with the occurrence of that part of the radiation in the radiation mode (mode in the process of forming the next generation of cell) is input Rin power flow P coming next generation cell. From the estimates made, it was determined that the main fraction is the diffraction loss associated with the mode formation process, which depends on the value of k. The magnitude of these losses varies from a few percent P 0 to values not exceeding 0.25 P 0 .
Перешедшая в следующую ячейку доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя выемки, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке было обратно пропорционально величине Pвх.The fraction of amplified radiation that has passed into the next cell is captured by its waveguide and will be amplified along its entire length until the next reflector of the notch; moreover, the necessity of fulfilling the condition under which the total gain in the cell was inversely proportional to the value of P in was confirmed experimentally.
Обращаем внимание на то, что отраженная часть выходного потока мощности должна быть выведена из гетероструктуры 1 с минимальными обратными отражениями в активный слой. Обратно отраженные паразитные излучения могут привести к самовозбуждению областей генерации в усиливающих областях, т.е. к нарушению одномодового (одночастотного) характера усиленного излучения. Для решения этого вопроса могут быть предусмотрены различные конструктивные меры, относящиеся как к расположению выемок, то есть к углу ψ, к наклону отражателя, т.е. к углу φ, к областям 11, прозрачным для выводимого излучения, так и к областям 13 и 14 подавления паразитных излучений. We draw attention to the fact that the reflected part of the output power stream should be removed from the heterostructure 1 with minimal back reflections to the active layer. Back-reflected spurious emissions can lead to self-excitation of the generation regions in amplifying regions, i.e. to violation of the single-mode (single-frequency) nature of amplified radiation. To solve this issue, various design measures can be provided, relating both to the location of the recesses, i.e. to the angle ψ, to the inclination of the reflector, i.e. to the angle φ, to the
Рассмотрим влияние положения отражателей 10 и поверхностей 23 вывода излучения, а также конструкции областей 11, прозрачных для выводимого излучения, на реализацию режима усиления в ПАОУ 3 при увеличенной эффективной длине усиления излучения, а также на снижение вероятности возникновения самовозбуждаемых областей генерации в усиливающих областях. Consider the influence of the position of the
Определено, что для реализации необходимых условий усиления необходимо, чтобы направления ребер выемок были направлены либо перпендикулярно по отношению к направлению боковых поверхностей ПАОУ 3, либо под некоторым углом ψ ≠90o, ограниченным диапазоном значений
π/2 - arcsin 1/n < ψ < π/2 + arcsin 1/n,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а наклон отражателей ограничен диапазоном значений углов φ
1/2 arcsin 1/n < ψ < π/2 - 1/2arcsin 1/n,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.It is determined that in order to implement the necessary conditions of reinforcement, it is necessary that the directions of the ribs of the recesses are directed either perpendicular to the direction of the side surfaces of the
π / 2 - arcsin 1 / n <ψ <π / 2 + arcsin 1 / n,
Where
n is the refractive index of the region transparent to the output radiation,
and the slope of the reflectors is limited by the range of angles φ
1/2 arcsin 1 / n <ψ <π / 2 - 1 / 2arcsin 1 / n,
Where
n is the refractive index of the region transparent to the output radiation.
Эмпирически подтверждено, что при выбранном нами диапазоне наклона ребер выемки 9 и наклона отражателей 10 возможна реализация вывода излучения из оптического усилителя, значительное уменьшение рассеяния паразитно отраженных излучений, что в совокупности с условиями расположения дна выемки 9 позволяет наиболее оптимально реализовать достаточно эффективный выход части излучения и его введение в следующую ячейку 6 для дальнейшего усиления. It is empirically confirmed that for the range of inclination of the edges of the
Для случая, когда длина волны (мкм) выводимого излучения λ < 1,24/Eg, где Eg (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена по крайней мере из области, прозрачной для выводимого излучения.For the case when the wavelength (μm) of the emitted radiation is λ <1.24 / E g , where E g (eV) is the band gap of the
В этом случае при выращивании гетероструктуры 1 между подложкой 2 и эмиттером 17 может быть выращен дополнительный прозрачный полупроводниковый слой толщиной в пределах 5...100 мкм. Известно, что условие прозрачности отвечает требованию
λ >1,24/(Eg+δ),
где
Eg (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, причем δ следует выбирать не менее 0,1 эВ.In this case, when growing the heterostructure 1 between the
λ> 1.24 / (E g + δ),
Where
E g (eV) is the band gap of the
Выходное излучение может быть направлено как наклонно, так и перпендикулярно к плоскостям слоев гетероструктуры 1. The output radiation can be directed both obliquely and perpendicularly to the planes of the layers of the heterostructure 1.
Как сказано ранее, перпендикулярный вывод излучений обеспечивается в случае плоской поверхности 23 вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры 1, и выбора угла ψ, равного π/2, а угла φ, равного π/4 Однако при этом возможно увеличение отражений от поверхностей слоев гетероструктуры 1 и поверхности 23 выхода излучения, в частном случае, от поверхности подложки 2, что крайне нежелательно (фиг. 4). As mentioned earlier, a perpendicular emission output is provided in the case of a flat
Как показали эксперименты для минимизации этого эффекта желательно на пути вывода отраженного излучения из активного слоя 15 гетероструктуры 1, например, между эмиттером 17 и подложкой 2 в многослойной гетероструктуре 1 желательно встраивать просветляющий полупроводниковый слой 24, оптическая толщина которого равна четверти длины волны выводимого излучения (фиг. 5). Просветляющие свойства слоя 24 определяются выполнением условия
где
n15, n4, n2 - показатели преломления четверьволнового просветвляющего слоя 24, эмиттера 17 и подложки 2 соответственно.As experiments have shown, in order to minimize this effect, it is desirable to transfer the reflected radiation from the
Where
n 15 , n 4 , n 2 are the refractive indices of the four-
Аналогично такой слой может быть введен со стороны другого эмиттера при противоположном выводе излучения. Similarly, such a layer can be introduced from the side of another emitter with the opposite output radiation.
Также снизить эффект переотражений и паразитных излучений при направлениях выходного излучения по нормали к плоскостям слоев гетероструктуры 1, в частности, к подложке 2 при углах ψ = π/2 и φ ≠ π/4 позволяет выбор определенного наклона плоской поверхности вывода излучения к плоскостям слоев гетероструктуры 1 (фиг. 6). The decrease in the effect of rereflections and spurious emissions when the directions of the output radiation are normal to the planes of the layers of the heterostructure 1, in particular, to the
Выяснено, что для ψ < π/4 угол ε задан соотношением
η•sin{ε-[π/2)-2φ]}=sinε,
где
η - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а для угла φ > π/4 угол ε задан соотношением
η•sin{ε-[2φ-(π/2)]}=sinε,
где
η - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.It was found that for ψ <π / 4 the angle ε is given by
η • sin {ε- [π / 2) -2φ]} = sinε,
Where
η is the refractive index of the region transparent to the output radiation,
and for the angle φ> π / 4, the angle ε is given by
η • sin {ε- [2φ- (π / 2)]} = sinε,
Where
η is the refractive index of the region transparent to the output radiation.
В местах выхода лучей из подложки 2, свободных от металлических контактных слоев омического контакта 20, желательно наносить многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5. In the places where the rays exit the
Для случая, когда подложка 2 непрозрачна для выходного излучения, вышеприведенные конструктивные решения остаются в силе, но при этом в местах выхода излучения подложка 2 должна быть удалена. For the case when the
Как сказано ранее, для уменьшения обратно отраженных паразитных излучений нами выполнены области 13 и 14 их подавления. Для этого в конце последней ячейки усиления ПАОУ 3, непосредственно после отражателя 10 конечной выемки 9 в гетероструктуре 1 создается торцевая область 13 подавления паразитных излучений, а именно, либо область поглощения, либо рассеяния с последующим поглощением прошедшей под выемкой 9 малой части излучения Pвх, а также подавлением отраженных и переотраженных излучений с целью предотвращения самовозбуждения усилителя.As mentioned earlier, to reduce the back-reflected spurious emissions, we performed
Предложено с боковых сторон и в торце ПАОУ 3, после последней выемки 9 ячейки усиления 6 выполнять канавки для создания торцевой и частично боковой областей 13 и 14 подавления. It is proposed from the sides and at the end of the
Эмпирически было выяснено и подтверждено расчетными оценкам, что подавление паразитных излучений при минимально вносимых потерях достигается при расположении канавок на расстояниях, при которых боковой спад интенсивности генерируемого либо усиливаемого излучения снижается до значений не более, чем 0,1 максимального значения интенсивности излучения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем данные канавки должны быть выполнены по крайней мере на глубину расположения всех слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Стороны канавок, смежные с боковыми сторонами активных областей, желательно формировать под углами полного внутреннего отражения к преимущественно распространяемым паразитным излучениям. Они могут быть рассчитаны при помощи известных методик. It has been empirically ascertained and confirmed by calculation estimates that the suppression of spurious emissions with minimum insertion loss is achieved by arranging the grooves at distances at which the lateral decay of the intensity of the generated or amplified radiation decreases to no more than 0.1 of the maximum value of the radiation intensity in the corresponding cross section active area. Moreover, these grooves should be made at least to the depth of all layers of the heterostructure 1, up to the
Для увеличения эффекта подавления паразитных излучений канавки заполняют поглощающими излучение материалами с определенными характеристиками. Как определено, наилучшими материалами являются полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны Eg(эB) < 1,24/λ. При этом необходима ширина канавок не менее 3/α, где α - коэффициент поглощения выбранного полупроводникового материала для данной длины волны. Полупроводниковыми материалами могут быть германий, кремний, арсенид индия и т.д.To increase the effect of suppressing spurious emissions, the grooves are filled with radiation-absorbing materials with certain characteristics. As determined, the best materials are semiconductor materials with a band gap E g (eB) <1.24 / λ. In this case, a groove width of at least 3 / α is required, where α is the absorption coefficient of the selected semiconductor material for a given wavelength. Semiconductor materials can be germanium, silicon, indium arsenide, etc.
Известно [8], [9], введение областей, подавляющих паразитные излучения: как торцевой области 13, так и боковых областей 14. Однако для данной конструкции ПОУ выбраны расположения, углы наклона боковых сторон канавок, смежных с активными областями, используемые поглощающие материалы. Выяснено, что увеличение расстояний между канавкой 13 и торцевой стороной ПАОУ 3, а также между канавками 14 и боковыми сторонами ПАОУ 3 значительно снижает эффект подавления паразитных излучений. Наименьшее расстояние определяется технологическими возможностями и требованиями исключения переотражений от граней канавок в активную область. Углы наклона канавок выбирают именно такими, чтобы исключить обратные переотражения. Предварительно они могут быть рассчитаны при помощи известных методов и уточнены во время эксперимента, так как зависят от каждой конкретной конструкции ПОУ, т.е. конкретной гетероструктуры и его элементов. Из сказанного следует, что вся совокупность существенных признаков предложенного ПОУ, включающего указанные средства подавления паразитных излучений, обладает изобретательским уровнем и новизной. It is known [8], [9], the introduction of areas that suppress spurious radiation: both the
Предложенные нами и рассмотренные здесь модификации элементов позволяют оптимизировать конструкцию ПОУ и получить превосходные параметры, как по величине выходной мощности, так и по качеству получаемого излучения. The modifications of the elements proposed by us and considered here allow us to optimize the design of the POC and obtain excellent parameters, both in terms of the output power and the quality of the received radiation.
Для дальнейшего увеличения выходной мощности возможно использовать различные варианты топологий ПАОУ 3. На фиг. 7 представлен вариант ПОУ, отличающийся двумерной областью поверхностного излучения, сформированный из линеек 12 усиления, например, в виде "змейки". Возможны также другие варианты создания топологий двумерных областей, не представленные в настоящем описании (например, "свернутая спираль", "развернутая спираль" и т.д.). To further increase the output power, it is possible to use various variants of the topologies of the
На фиг. 7 входное излучение, усиленное в первой ячейке 6 усиления, поочередно отражаясь для вывода из активного слоя 15 и усиливаясь вновь, как описано ранее, достигает конца линейки 12 усиления. Здесь за счет введения поворотной ячейки 26 усиления с поворотным отражателем 25, сформированным под углом 45o по отношению к боковым поверхностям линейки 12 усиления и пересекающим по нормали все слои гетероструктуры 1 вплоть до подложки 2, излучение за счет полного внутреннего отражения на этом зеркале меняет направление на угол 90o в ту или иную сторону, в зависимости от направления угла поворота линейки 12 усиления. Далее процесс повторяется во второй линейке 12 усиления, расположенной под прямым углом к первой. На конце второй линейки 12, также на поворотной ячейке 26 сформирован аналогичный поворотный отражатель 25. В конце последней линейки 12 непосредственно после выемки 9 для вывода излучения, например, через подложку 2 сформирована торцевая подавляющая паразитное излучение область 13.In FIG. 7, the input radiation amplified in the
Варьируя последовательность и углы поворотов и длины линеек 12 усиления можно сформировать разнообразные варианты двумерных фигур ПАОУ 3 и соответственно поверхностей с регулярно расположенными на них поперечными полосками излучения. By varying the sequence and angles of rotation and the length of the
Так, например, может быть выполнен ПОУ, включающий 41 линейку 12 усиления, причем каждая последующая линейка 12 усиления расположена под прямым углом по отношению к предыдущей. При этом первая линейка 12 усиления будет состоять из двух ячеек 6 усиления; вторая, четвертая и все четные линейки 12 усиления, вплоть до сороковой - из одной ячейки 6 усиления; третья и все нечетные линейки 12 усиления, вплоть до последней нечетной 41 линейки 12 усиления - из 6 ячеек 6 усиления. Всего в устройстве, кроме поворотных, должно быть предусмотрено 142 ячейки 6 усиления. На каждом повороте помещена поворотная ячейка 26 (всего 40 штук), ограниченная на повороте поворотным отражателем 25. Каждый из таких зеркальных отражателей 25 должен быть расположен под углом (π/4 + -0,01)рад по отношению к падающему на них усиливаемому лучу так, что направление усиливаемого излучения в каждой из нечетных шестиячеечных линеек 12 усиления начиная с 3 и кончая 41 меняется на противоположные. So, for example, can be performed POW, including 41
Таким образом было сформировано двумерное плотноупакованное тело свечения для выходного усиленного излучения, имеющего форму типа "змейки". Общий размер близкого к квадратному тела свечения для данного ИПЛУ равен 3,0•3,2 мм2 = 9,6 мм2.Thus, a two-dimensional close-packed luminescence body was formed for the output amplified radiation having the form of a “snake” type. The total size of the near-square glow body for this IPLU is 3.0 • 3.2 mm 2 = 9.6 mm 2 .
Для выполнения определенной архитектуры ПАОУ и поворотных отражателей следует использовать хорошо отработанные в настоящее время методы планарной технологии и фотографии, а также разработанные в последнее время технологии изготовления травленных зеркал [10]. To implement a certain architecture of PAOU and rotary reflectors, the well-developed methods of planar technology and photography, as well as recently developed technologies for manufacturing etched mirrors, should be used [10].
Приведенные нами объяснения работы и доказательства существенности отличительных признаков устройства позволяют определить главное достоинство предложенных конструкций ПОУ - возможность получения относительно несложными известными технологическими приемами сверхвысоких уровней выходной мощности излучения при поддержании одночастотных и/или одномодовых его свойств со всеми присущими ему уникальными качествами: узкой диаграммой направленности излучения, определяемой дифракционной расходимостью отдельных излучающих элементов ПОУ и их когерентным сложением в дальнем поле, узким спектром излучения, высокой температурной стабильностью длины волны излучения, однородностью ближнего поля излучения, высокой надежностью. Our explanations of the work and the evidence of the essentiality of the device’s distinctive features allow us to determine the main advantage of the proposed design of the POC - the possibility of obtaining relatively simple known technological methods of ultrahigh levels of output radiation power while maintaining its single-frequency and / or single-mode properties with all its unique qualities: a narrow radiation pattern determined by the diffraction divergence of individual radiating elements OS and their coherent addition in the far field, the narrow emission spectrum, the high temperature stability of the emission wavelength, the uniformity of near field radiation, high reliability.
Высокие мощности конструкций ПОУ по изобретению обеспечиваются тем, что в оптическом усилителе выполнена ПАОУ 3 с увеличенной эффективной длиной усиления излучения за счет введения отдельных ячеек усиления, на границах которых происходит "сброс" из активной области части излучения и введения оставшейся части в следующую ячейку для дальнейшего усиления в ней. The high powers of the POC structures according to the invention are ensured by the fact that
Для высококачественных гетероструктур 1, близких к идеальным, выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей 10 выемок 9 будут сфазированными между собой и их когерентное сложение в этом случае обеспечивает в дальнем поле не только указанные выше высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее (относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излучения в каждом из двух направлений (вдоль линейки генерации и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений. Однако структуры обычно не идеальны и в этих случаях необходима какая-либо подстройка условий работы ячеек 6 усиления друг к другу. Наиболее простой является токовая подстройка. Нужное изменение фазы при этом достигается заданным введением концентрации инжектированных носителей, изменяющих длину оптического пути для усиливаемого излучения в таком участке. В ряде случаев возможна токовая подстройка только одной ячейки 6 в линейке 12, но может возникнуть необходимость подстройки каждой ячейки 6. В этом случае для получения сфазированного излучения требуется автономное исполнение омических контактных слоев 19 к каждой из ячеек усиления 6. For high-quality heterostructures 1 that are close to ideal, the output rays reflected from the
Фактически, в предлагаемом ПОУ для одночастотного излучения, распространяющегося в ПАОУ 3, осуществлен режим бегущей волны и, вследствие этого, выходные лучи, отраженные от каждой выемки, например, регулировкой тока могут быть сфазированы между собой, что невозможно получить при простом суммировании мощностей от большого количества обычных усилителей [3]. В последнем случае также можно получить высокие значения выходных мощностей, однако при этом невозможно достигнуть других вышеназванных характеристик выходного излучения предлагаемого ПОУ. Поэтому предложенный нами ПОУ нельзя рассматривать как результат сложения известных решений. In fact, in the proposed POC for a single-frequency radiation propagating in
Следует также заметить, что поскольку вывод излучения в предложенных ПОУ может быть осуществлен через подложку 2, то имеется возможность отвода больших потоков тепловыделения из активных слоев 15 ПОУ, расположенных обычно всего лишь на расстояниях нескольких микрон от внешней поверхности гетероструктуры 1. Это позволяет получать большие выходные мощности от предложенных ПОУ не только в коротких импульсах, но и большие уровни мощности в непрерывном и квазинепрерывном режимах его работы. It should also be noted that since the radiation can be removed in the proposed POCs through the
Поддержание одночастотного и/или одномодового режимов работы предложенного ПОУ с модификациями связано с тем, что все активные элементы предлагаемого устройства, как описывается ранее, работают в режиме усиления одномодового и/или одночастотного введенного излучения, что достигается его отличительными особенностями. В первую очередь специфической конструкцией полосковой области усиления, а именно, расположением по отношению к слоям гетероструктуры 1 выемок (как определено выше), позволяющих не только вывести из активного слоя часть излучения, но и ввести в каждую последующую ячейку усиления часть усиленного излучения, играющую такую же роль, как входной сигнал для первой ячейки. Кроме того, усилительный режим в ячейках усиления поддерживается введенными в конструкции ПОУ средствами подавления возможных паразитных излучений, возникающих вследствие отражений и переотражений (описывается ранее) в торце оптического усилителя, после последней ячейки усиления, ее выемки, так и с боковых сторон активной области, а также при выводе излучения из активного слоя 15 через область 11, прозрачную для выводимого излучения (требования к углам наклона отражателей 10 и поверхностей 23 вывода, к просветляющим слоям 24). Устранение попадания отраженных оптических лучей в активные слои 15 ячеек 6 усиления препятствует самовозбуждению и генерации в них лазерного многомодового излучения. Следует отметить, что вся совокупность указанных выше средств подавления паразитных отражений в предложенных конструкциях ПОУ обладает большей эффективностью, не только по сравнению с используемым в прототипе нанесением многослойного просветляющего диэлектрического покрытия 5 на выходную грань зеркала скола, но и по сравнению с другими известными средствами [8, 9]. Maintaining single-frequency and / or single-mode operation modes of the proposed POC with modifications is due to the fact that all active elements of the proposed device, as described previously, operate in the amplification mode of single-mode and / or single-frequency introduced radiation, which is achieved by its distinctive features. First of all, by the specific design of the strip gain region, namely, the location with respect to the heterostructure layers of 1 recesses (as defined above), allowing not only to remove part of the radiation from the active layer, but also to introduce into each subsequent gain cell a part of amplified radiation playing such same role as input for the first cell. In addition, the amplification mode in the gain cells is supported by means of suppressing possible spurious emissions arising from reflections and re-reflections (described earlier) introduced in the design of the COD at the end of the optical amplifier, after the last gain cell, its extraction, and from the sides of the active region, and also when radiation is removed from the
В настоящее время известны по отдельности различные устройства отражения излучения от отражателя выемки, помещенного под углом к направлению распространения усиливающего излучения [11] и устройства прохождения излучения по волноводному слою под выемкой и перевода излучения в активный слой последующей области [12]. Однако формальное сложение известных решений не позволяет получить предложенное изобретение и решить поставленную техническую задачу. Достижение предложенного стало возможным только при оригинальном и неочевидном совмещении в одном узле внутри усиливаемой среды предложенного нового средства вывода и ввода излучения определенной конфигурации и определенным образом расположенного, что и обуславливает изобретательский уровень изобретения. Currently, various devices for reflecting radiation from a notch reflector placed at an angle to the direction of propagation of amplifying radiation [11] and devices for transmitting radiation through a waveguide layer under a notch and transferring radiation to the active layer of a subsequent region are known individually [12]. However, the formal addition of known solutions does not allow to obtain the proposed invention and solve the technical problem. The achievement of the proposed became possible only with the original and non-obvious combination in one node inside the amplified medium of the proposed new means of output and input of radiation of a certain configuration and located in a certain way, which determines the inventive step of the invention.
Здесь следует также отметить, что изготовление предложенного ПОУ опирается на ряд известных и в большинстве случаев отработанных технологий. Кроме технологий изготовления напряженных квантово размерных гетероструктур [13] и мезаполосковых активных областей [14], это относится также к технологии травления выемок под различными углами к гетероструктуре [15], технологии изготовления травленного зеркала [10]. Это все обеспечило промышленную применимость изобретения. It should also be noted here that the manufacture of the proposed POU is based on a number of well-known and, in most cases, proven technologies. In addition to manufacturing techniques for strained quantum-dimensional heterostructures [13] and messtrip active regions [14], this also applies to the etching technology of recesses at various angles to the heterostructure [15], and the technology for manufacturing an etched mirror [10]. This all ensured the industrial applicability of the invention.
Нами определено, что только вся неочевидная совокупность указанных существенных признаков, обладающая изобретательским уровнем, новизной и промышленной применимостью, позволила решить поставленную техническую задачу: увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода. We determined that only the entire non-obvious combination of these essential features, which has an inventive step, novelty, and industrial applicability, allowed us to solve the technical problem: increase the effective length of the radiation gain in an optical amplifier when outputting radiation through the surface, which ensured a significant increase in the output radiation power and its density for various operating modes, as well as narrowing and the ability to control the radiation pattern of the total radiation in It field due to phased addition diffraction limited output single-mode and / or single-frequency radiation, reducing astigmatism plurality of surface regions of the radiation and increasing the heat removal efficiency.
Пример 1. Предложенный ПОУ с поверхностным излучением (фиг. 2 и 3) с одной линейкой 12 усиления был изготовлен следующим образом. Example 1. The proposed POC with surface radiation (Fig. 2 and 3) with a
На полированной подложке 2 n-типа GaAs выращивали гетероструктуру 1 на основе соединений InGaAs и AlGaAs, следующего состава:
первый эмиттер 17 n-типа Al0.31Ga0,69As, толщиной 2,0 мкм;
активный слой 15, состоящий из следующей последовательности подслоев: нелегированного волноводного подслоя из Al0.17Ga0.83As, толщиной 0,09 мкм, барьерного подслоя GaAs, толщиной 6,0•10-3 мкм, активного подслоя из In0,2Ga0,8As, толщиной 7,0•10-3 мкм, и далее барьерного, активного, вновь барьерного и нелегированного волноводного подслоев указанной выше толщины и состава;
второй эмиттер 16 p-типа Al0,31Ga0.69As, толщиной 1,5 мкм;
Контактный слой 18 из легированного p-типа GaAs, толщиной 0,3 мкм.A heterostructure 1 based on InGaAs and AlGaAs compounds of the following composition was grown on a polished n-type GaAs substrate 2:
the second emitter 16 p-type Al 0.31 Ga 0.69 As, a thickness of 1.5 μm;
The
Гетероструктура 1 со слоями указанного состава обеспечивает эффективное усиление вводимого лазерного излучения на длине волны λ ≈ 980 нм. Heterostructure 1 with layers of the specified composition provides effective amplification of the introduced laser radiation at a wavelength of λ ≈ 980 nm.
В гетероструктуре 1 методами планарной технологии и ионнохимического травления были одновременно сформированы ПАОУ 3, состоящая из первой ячейки с начальной полосковой частью и РОУ 8, и последующих ячеек полосковой конфигурации в виде линейки 12 усиления, состоящей из шести ячеек 6 усиления, разделенных выемками 9. In heterostructure 1, by the methods of planar technology and ion-chemical etching,
Начальная полосковая часть первой ячейки 6 была выполнена шириной 3,0 мкм и длиной 0,3 мм, ширина входа РОУ 8 3,0 мкм, угол расширения РОУ 8 был выполнен равным 0,1 рад, длина расширяемой части 1,0 мм, а максимальная ширина расширения 100 мкм. Линейка 12 усиления выполнена той же ширины 100 мкм, длина каждой ячейки 6 усиления, была равна 0,5 мм. The initial strip part of the
Общая длина сформированной ПАОУ 3 на полупроводниковой гетероструктуре 1 с шестью ячейками 6 усиления с одной линейкой 12 усиления составила 4,3 мм. The total length of the formed
Семь выемок 9 было вытравлено методом ионнохимического травления. Первая из них была помещена в конце РОУ 8 и в начале второй 6 ячейки, а остальные - через 0,5 мм в конце каждой ячейки 6 усиления. Выемки 9 формировали так, что их ребра на поверхности гетероструктуры 1 были направлены перпендикулярно боковым поверхностям линейки 12 усиления с высокой точностью, обеспечиваемой методами фотолитографии. Они были огранены двумя гранями, пересекающимися в глубине гетероструктуры 1. Угол наклона зеркально полированных фронтальных граней - отражателей 10 всех выемок 9 был выдержан в пределах π/4±0,01 рад по отношению к нормали к слоям гетероструктуры 1. Особых требований к другим противоположным граням выемок 9 не предъявлялось. Seven
Для определения глубины расположения выемок 9 из решений волновых уравнений с соответствующими граничными условиями для вышеуказанных толщин и составов (а именно, их значений показателей преломления) слоев гетероструктуры 1 было найдено распределение интенсивности излучения для моды нулевого порядка I(x) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1 (фиг. 3). Глубина x0 расположения выемок 9 найдена из условия, что поток излучения для этой моды, протекающий под выемкой 9, составляет 10% от полного потока излучения моды через гетероструктуру 1.To determine the depth of the
Из расчетов получено, что дно выемки должны быть расположено на глубине x0 = 2,22 мкм от верхней границы контактного слоя гетероструктуры. Экспериментально глубина выемок 9 получена в пределах 2,20...2,30 мкм, при этом дно выемки 9 углублено в слой эмиттера 17, граничащий с подложкой 2, на ≈ 0,33 мкм от активного слоя (из рассчетов получена величина 0,34 мкм).From the calculations it was found that the bottom of the notch should be located at a depth x 0 = 2.22 μm from the upper boundary of the contact layer of the heterostructure. Experimentally, the depth of the
Экспериментально была получена достаточно малая ширина (≈ 1,5 мкм) дна выемки. Поэтому можно не учитывать при расчетах потери излучения при прохождении его под дном выемки 9. A fairly small width (≈ 1.5 μm) of the bottom of the excavation was obtained experimentally. Therefore, you can not take into account when calculating the loss of radiation when passing under the bottom of the
На расстояниях 5±2 мкм по всему периметру от сформированных активных элементов прибора были вытравлены канавки 13 и 14 на глубину всей совокупности слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Ширина вытравленных канавок составила 6±1 мкм. Угол наклона граней вытравленных канавок 13 и 14, смежных с интегральными элементами устройства, был выполнен равным (1,0±0,1) рад. Вытравленные канавки 13 и 14 были заполнены германием, имеющим коэффициент поглощения излучения >104см-1 для длин волн меньше 980±5 нм.At distances of 5 ± 2 μm along the entire perimeter from the formed active elements of the device,
Далее известными методами были созданы омические контакты 22, 23 на p- и n-стороны полупроводниковой пластины прибора. Общий омический контакт 23 на подложку 2 был нанесен после ее утонения при общей толщине подложки 2 и гетероструктуры 1, равной 100 мкм. Further, by known methods,
Для вывода излучения через подложку 2 металлические слои омического контакта 20, расположенные непосредственно под выемками 9, удаляли, а вместо них наносили многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5, коэффициент отражения которых не превышал 0,1%. To output radiation through the
Далее методом скрайбирования пластины разделяли на кристаллы. Габаритный размер кристалла был выполнен равным 1,0 • 4,5 мм. Then, by scribing, the plates were separated into crystals. The overall crystal size was made equal to 1.0 • 4.5 mm.
Далее кристаллы p-стороной вниз напаивали на металлизированную пластину из синтетического алмаза, обладающего высокой теплопроводностью. Со стороны n-типа подложки 2 припаивали тонкую металлическую рамку с прорезями в местах вывода излучения. Next, the crystals were p-side down soldered to a metallized synthetic diamond plate with high thermal conductivity. On the n-type side of
Пластину алмаза с кристаллом устанавливали на термоохлаждающее устройство. Для обеспечения работы устройства металлический вывод от подложки 2 подсоединяли к минусу источника питания, а плюс источника питания подсоединяли к полосковым контактам оптического усилителя. Источник питания обеспечивал разность потенциалов на гетероструктуре 1 в пределах 1,5-2,2 В. При этом контролировали протекание тока через оптический усилитель в пределах 1. ..10 А. Точность установления токов здесь и ниже была не хуже ±5%. A diamond plate with a crystal was mounted on a heat-cooling device. To ensure the operation of the device, the metal output from the
В ПОУ было введено входное одночастотное излучение малой мощности до 50 мВт. Через ПОУ пропускали ток, равный 6 А. The low-power input single-frequency radiation of up to 50 mW was introduced into the POC. A current of 6 A was passed through the POU.
Значения выводимых плотностей мощности были измерены под каждой выемкой 9 в отдельности. Среднее значение выводимой мощности, приходящееся на одну ячейку 6 усиления, составило порядка 0,33 Вт. Общая выходная мощность от ПАОУ 3 была получена порядка 2,3-2,4 Вт. Для указанных здесь и ниже измерений мощностей излучения точность измерения была не хуже 20%. The values of the output power densities were measured under each
Измеренная длина волны излучения ПОУ была равной 985,4±0,1 нм. Ширина спектральной линии излучения при этом составила менее 0,1 нм. Это ее значение ограничивалось разрешением используемого для измерений спектрометра. Результаты этих измерений свидетельствовали об одночастотном режиме работы ПОУ. The measured wavelength of the POU radiation was 985.4 ± 0.1 nm. The width of the spectral line of radiation in this case was less than 0.1 nm. This value was limited by the resolution of the spectrometer used for measurements. The results of these measurements testified to a single-frequency operating mode of the POC.
Расходимость выходного излучения в направлении вдоль длины линейки усиления в каждом луче из шести выемок вблизи подложки 2 находилась в пределах 0,42-0,43 рад, а в направлении поперечных к длине линейки усиления для каждого из лучей в пределах 10-15 мрад, что свидетельствует об одномодовом режиме работы. Здесь и ниже измерялись углы расходимости излучения на уровне 0,5 от максимального значения мощности. В приведенных здесь и ниже расходимостей излучения точность их измерений была не лучше 15%. The divergence of the output radiation in the direction along the length of the gain line in each beam of six recesses near the
Пример 1.1. За основу конструкции ПОУ принята описываемая в примере 1. Отличие заключалось в автономном выполнении омических контактов 19 к каждой из шести ячеек и при регулировке тока через каждую ячейку в пределах до 30 mA. Мощностные характеристики аналогичны примеру 1. Расходимость выходного излучения в направлении вдоль длины линейки усиления 15 в каждом луче из шести выемок 12 вблизи подложки 2 находилась в пределах 60-65 мрад, а в направлениях поперечных к длине линейки усиления 15 для каждого из лучей в пределах 11-12 мрад. Example 1.1 The design basis for the POC is described in Example 1. The difference was in the autonomous performance of
Пример 2. Выбрав за основу конструкцию ПОУ примера 1 нами были опробованы другие варианты изготовления и размещения областей, прозрачных для выводимого излучения 11, выемок 9 с отражателями 10 и поверхностей вывода 23 излучения. Example 2. Having chosen the design of the POA of example 1 as the basis, we tested other options for the manufacture and placement of areas transparent to the
Пример 2.1. Угол ψ наклона выемки 16 был выбран равным 3±0,10o, при этом угол φ наклона отражателей был выбран равным 42±0,05o.Example 2.1 The angle ψ of the inclination of the
Пример 2.2. В многослойной гетероструктуре был выращен просветляющий полупроводниковый слой 30 состава Al0.15Ga0.85As, толщиной 0,072 мкм (фиг. 5). Коэффициент преломления этого слоя равен 3,486, а углы ψ и φ соответствовали указанным углам в примере 1.Example 2.2 In the multilayer heterostructure, an antireflection semiconductor layer 30 of composition Al 0.15 Ga 0.85 As, 0.072 μm thick, was grown (Fig. 5). The refractive index of this layer is 3.486, and the angles ψ and φ correspond to the indicated angles in Example 1.
Выводы по примерам 2.1 - 2.2. Conclusions from examples 2.1 - 2.2.
Результаты измеренных энергетических и пространственно спектральных характеристик ПОУ для вариантов 2.1 - 2.2 были очень близки между собой и результатами, приведенными в примере 1. Главное отличие состояло в различии уровней максимальных выходных мощностей генерации, при которых еще поддерживается одномодовый режим генерации и сохраняется дифракционная расходимость выходного излучения каждого выходного луча. Соответственно, для ПОУ примеров 2.1 и 2.2 (в соответствии с фиг. 4 и 5) измеренные максимально достигаемые мощности при сохранении пространственно спектральных характеристиках были равны 3,6; 2,8 Вт. The results of the measured energy and spatial spectral characteristics of the POC for options 2.1 - 2.2 were very close to each other and the results shown in example 1. The main difference was in the difference in the levels of the maximum output power of the generation, at which the single-mode generation is still maintained and the diffraction divergence of the output radiation is maintained each output beam. Accordingly, for the POC of examples 2.1 and 2.2 (in accordance with Fig. 4 and 5), the measured maximum achievable powers while maintaining the spatial spectral characteristics were 3.6; 2.8 watts
Кроме того, если для варианта по примеру 2.2, в соответствии с фиг. 5, выходное излучение было направлено перпендикулярно к поверхности подложки, то для варианта примера 2.1, в соответствии с фиг. 4, выходное излучение было направлено под углом ε = 22o. При этом получено, что выход излучения находился в области, смещенной по отношению к плоскости нормального поперечного сечения, проходящего через отражатель 10.In addition, if for the variant of example 2.2, in accordance with FIG. 5, the output radiation was directed perpendicular to the surface of the substrate, then for the variant of example 2.1, in accordance with FIG. 4, the output radiation was directed at an angle ε = 22 o . It was found that the radiation output was in the region offset from the plane of the normal cross section passing through the
При возможности реализации ПОУ, изображенного на фиг. 7, на основе конструкции и при режимах работы, описанных в примере 1.1, могли бы быть получены следующие результаты: величины выходных мощностей могут быть порядка 100 Вт при ожидаемой расходимости излучения в дальнем поле для направления вдоль линеек усиления 15 порядка 60...65 мрад, а в перпендикулярном ему направлении - порядка 1,0 мрад. Это было бы свидетельством одномодовости отдельных выходящих излучений из ячеек 6 усиления и их фазированного сложения в дальнем поле. If possible, implement the POU depicted in FIG. 7, on the basis of the design and with the operating modes described in Example 1.1, the following results could be obtained: output power values can be of the order of 100 W with the expected divergence of radiation in the far field for the direction along the
Сравнение характеристик известного ПОУ [4] и предлагаемого показало, что предлагаемое ПОУ имеет ряд неоспоримых и значительных преимуществ. A comparison of the characteristics of the well-known POC [4] and the proposed one showed that the proposed POC has a number of undeniable and significant advantages.
В настоящее время неизвестно совмещение средств вывода и ввода излучения в одном узле, размещенных определенным образом внутри усиливаемой среды и выполненных в виде определенной конфигурации, которая позволила бы реализовать поставленную задачу в весьма малогабаритном устройстве. Currently, it is not known that the combination of radiation output and input means in one node, placed in a certain way inside the amplified medium and made in the form of a specific configuration, which would allow to realize the task in a very small-sized device.
Вследствие этого стало возможным вывод излучения через торцевую грань (3) заменить на многократное число выводов излучения через поверхность. При этом достигнуты выходные мощности излучения ПОУ примерно в n-раз больше, чем в прототипе, где n - число ячеек усиления ПОУ; на примерах показано, что n ≈ 100. Реально, для больших размеров ИПЛУ можно получить n ≈ 1000 и более. As a result of this, it became possible to transfer radiation through the end face (3) to a multiple number of radiation leads through the surface. At the same time, the output power of the POU radiation was achieved approximately n-times greater than in the prototype, where n is the number of gain cells of the POU; the examples show that n ≈ 100. In reality, for large sizes of IPLU it is possible to obtain n ≈ 1000 or more.
Важным и новым является то, что поскольку в изобретении реализован режим усиливаемой бегущей волны одночастотного излучения при ее регулярном "сбросе" через поверхность ПОУ 15, то выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей выемок, например при токовой подстройке ячеек усиления, являются сфазированными между собой и их когерентное сложение в дальнем поле обеспечивает не только высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее (относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излечения в каждом из двух направлений (вдоль линейки усиления и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений. Important and new is that since the invention implements the regime of an amplified traveling wave of single-frequency radiation when it is regularly “discharged” through the surface of
Следовательно, вся совокупность признаков изобретения является новой, обладающей изобретательским уровнем и промышленно применимой, и дает возможность решить поставленную техническую задачу: значительно увеличено количество оптических выводов от ПОУ и при снижении обратных отражений оптически усиленных сигналов в активные слои усиления при их выводе из ПОУ обеспечено значительное повышение коэффициента усиления ПОУ, упрощен ввод выходного излучения в оптическое волокно и значительно снижены затраты при использовании предлагаемых ПОУ в сложных разветвленных волоконнооптических системах связи. Consequently, the entire set of features of the invention is new, having an inventive step and is industrially applicable, and makes it possible to solve the technical problem: the number of optical outputs from the POC is significantly increased and with a decrease in the back reflections of optically amplified signals into active gain layers, when they are output from the POC, a significant increasing the gain of the POU, simplified input of the output radiation into the optical fiber and significantly reduced costs when using the proposed POW in complex branched fiber optic communication systems.
Источники информации
1. Optics Communic,1992, Vol. 87, N 1-2, pp. 15-18.Sources of information
1. Optics Communic, 1992, Vol. 87, N 1-2, pp. 15-18.
2. Патент США 5260822, кл. H 01 S 3/19, 1993. 2. US patent 5260822, cl. H 01
3. IEEE J.of Quant.Electr., Vol. 29, N 6, June 1993, pp. 2028-2032. 3. IEEE J.of Quant. Electr., Vol. 29,
4. IEEE J.of Quant.Electr., Vol. 29, N 6, June 1993, pp. 2037-2042. 4. IEEE J.of Quant. Electr., Vol. 29,
5. Патент США N 4845724, кл. H 01 S 3/19, 1989. 5. US patent N 4845724, CL. H 01
6. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т. 1, 1981. 6. Casey H., Panish M. Lasers on heterostructures. T. 1, 1981.
7. Вайнштейн А.А. Электромагнитные волны. М. - Сов. радио, 1988. 7. Weinstein A.A. Electromagnetic waves. M. - Owls. radio, 1988.
8. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29, N 6, pp. 2052-2057. 8. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29,
9. IEEE Photonics Technology Letters, August 1993, Vol. 7, N 8, pp. 899-901. 9. IEEE Photonics Technology Letters, August 1993, Vol. 7,
10. Osinski J.S., Mehuys D. et al., IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6, N 10, pp. 1185-1187. 10. Osinski J.S., Mehuys D. et al., IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6,
11. Ellectron. Lett., 1995, Vol. 31, N 13, pp. 1056-1057. 11. Ellectron. Lett., 1995, Vol. 31,
12. Европейский патент 0411145. A1, H 01 S 3/18, 1990. 12. European patent 0411145. A1, H 01
13. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29, N 6, pp. 1889-1894. 13. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29,
Патент РФ 1831213, кл. H 01 S 3/19, 1990. RF patent 1831213, cl. H 01
J. Electr.Mater., 1990, Vol. 19, N 5, pp. 463-469. J. Electr.Mater., 1990, Vol. 19,
Claims (13)
π/2 - arcsin 1/n < ψ < π/2 + arcsin 1/n,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а также введен угол φ, образованный нормалью, мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемой в диапазоне
1/2arcsin 1/n < φ < π/2 - 1/2arcsin 1/n,
дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии Pв х усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии Pв х выбран в диапазоне 0,95 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке выбрано обратно пропорциональным потоку энергии Pв х, далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения, по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.1. A semiconductor optical amplifier, comprising an active layer multilayer heterostructure placed on a semiconductor substrate, comprising an active amplification region, ohmic contacts, coated radiation output means and spurious radiation suppressors, characterized in that the active amplification region is formed of at least two cells amplification constituting at least one gain line, the cells are connected by radiation output means, made in the form of additionally inserted recesses from and a region that is transparent to the emitted radiation, the recess being located on the side of the heterostructure surface, the reflector is placed on the oblique surface of the recess frontal with respect to the input of the optical amplifier, and the angle ψ formed by the direction of the recess reflector edge on the heterostructure surface with the lateral sides of the strip gain areas selectable in the range
π / 2 - arcsin 1 / n <ψ <π / 2 + arcsin 1 / n,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation,
and also introduced the angle φ formed by the normal, mentally drawn in the plane of the active layer to the line of intersection of its plane with the plane of the recess reflector with the normal to the surface of the recess reflector, selected in the range
1 / 2arcsin 1 / n <φ <π / 2 - 1 / 2arcsin 1 / n,
the bottom of the recess in relation to the surface of the heterostructure is placed at a distance specified by the energy flux P in x of the amplified radiation propagated during operation of the device, which is determined in the cross section of the heterostructure normal to its layers at the beginning of the gain cell, and also specified by the total gain in the specified cell, depending on the given pump current, the length of the indicated cell and on the design of the heterostructure, while the energy flux P in x is selected in the range of 0.95 - 0.001 on the total energy flux of the amplified radiation at the end of the previous of the existing amplification region, and the total amplification in the indicated cell is chosen inversely proportional to the energy flux P in x , then to the radiation output surface, at least, are introduced at least to the region transparent to the output radiation and located along the propagation of the radiation reflected from the reflector during operation of the device one side adjacent to the external output surface, and the means of suppressing spurious emissions are made in the heterostructure at least in the form of a region located after the final excavation.
7. Устройство по одному из пп.1 - 6, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения, вводимого при работе устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоя эмиттера и подложки.6. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the case of a flat radiation output surface located parallel to the heterostructure layers, the angle ψ is chosen equal to π / 2, and the angle φ is chosen equal to π / 4.
7. The device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the multilayer heterostructure the layer between the emitter and the adjacent semiconductor layer external to the radiation output side is a semiconductor layer with an optical thickness equal to a quarter of the radiation wavelength introduced during operation of the device , and with a refractive index equal to the square root of the product of the refractive indices for the emitter layer and the substrate.
n•sin{ε-[(π/2)-2φ]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.8. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the case of a flat radiation output surface inclined at an angle ε to the external output surface and intersecting it along a line parallel to the notch edge, the angle ψ for which is chosen to be π / 2 , and when choosing the angle φ less than π / 4, the angle ε is given by
n • sin {ε - [(π / 2) -2φ]} = sinε,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation.
n•sin{ε-[2φ-π/2)]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.9. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the case of a flat radiation output surface inclined at an angle ε to the external output surface and intersecting it along a line parallel to the notch edge, the angle φ for which is chosen to be π / 2 , and when choosing the angle φ large π / 4, the angle ε is given by
n • sin {ε- [2φ-π / 2)]} = sinε,
where n is the refractive index of the region transparent to the output radiation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96115456A RU2110875C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Semiconductor optical amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96115456A RU2110875C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Semiconductor optical amplifier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2110875C1 true RU2110875C1 (en) | 1998-05-10 |
RU96115456A RU96115456A (en) | 1998-10-10 |
Family
ID=20183863
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96115456A RU2110875C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Semiconductor optical amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2110875C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003071643A1 (en) * | 2002-02-18 | 2003-08-28 | Ot´Kratoe Aktsyonernoe Obshchestvo ¨Sistema-Venchur¨ | Heterostructure injection laser, semiconductor amplifying element and semiconductor optical amplifier |
-
1996
- 1996-08-19 RU RU96115456A patent/RU2110875C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Appl. Phys. Lett., 1989, vol.54, N 4, p.295-297. IEEE I. of Quant Electr, vol.29, N 6, June 1993, p.2028 - 2032. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003071643A1 (en) * | 2002-02-18 | 2003-08-28 | Ot´Kratoe Aktsyonernoe Obshchestvo ¨Sistema-Venchur¨ | Heterostructure injection laser, semiconductor amplifying element and semiconductor optical amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2142665C1 (en) | Injection laser | |
US6625182B1 (en) | Semiconductor or solid-state laser having an external fiber cavity | |
US6167073A (en) | High power laterally antiguided semiconductor light source with reduced transverse optical confinement | |
Walpole et al. | High‐power strained‐layer InGaAs/AlGaAs tapered traveling wave amplifier | |
US5400353A (en) | Tapered semiconductor laser gain structure with cavity spoiling grooves | |
US5349602A (en) | Broad-area MOPA device with leaky waveguide beam expander | |
US8306084B2 (en) | Laser light source | |
JP2959902B2 (en) | Semiconductor laser, device having the same, and method of manufacturing the same | |
JP5717726B2 (en) | DFB laser diode with lateral coupling for high output power | |
US9502861B2 (en) | Semiconductor laser | |
US9158057B2 (en) | Semiconductor light source free from facet reflections | |
RU2134007C1 (en) | Semiconductor optical amplifier | |
CN106961071B (en) | Semiconductor optical amplifier based on ridge active region weak waveguide | |
JPS6135587A (en) | Self-aligned rib waveguide high power laser | |
Hofstetter et al. | Excitation of a higher order transverse mode in an optically pumped In 0.15 Ga 0.85 N/In 0.05 Ga 0.95 N multiquantum well laser structure | |
JP2010232424A (en) | Semiconductor optical amplifier, and optical module | |
US8355419B2 (en) | Semiconductor optoelectronic device with improved beam quality | |
JP2004535679A (en) | Semiconductors for zigzag lasers and optical amplifiers | |
JPS5940592A (en) | Semiconductor laser element | |
Vaissié et al. | High efficiency surface-emitting laser with subwavelength antireflection structure | |
US8995482B1 (en) | High energy semiconductor laser | |
US5555544A (en) | Tapered semiconductor laser oscillator | |
RU2110875C1 (en) | Semiconductor optical amplifier | |
RU2443044C1 (en) | Injection laser | |
RU2535649C1 (en) | Semiconductor laser |