RU2540233C1

RU2540233C1 - Injection laser having multiwave modulated emission

Info

Publication number: RU2540233C1
Application number: RU2013144978/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Олегович Слипченко; Илья Сергеевич Тарасов; Никита Александрович Пихтин; Александр Александрович Подоскин
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: injection laser having multiwave modulated emission based on a heterostructure comprises a first optical Fabry-Perot resonator bounded on one side by a first reflector and on the other side by a first distributed Bragg mirror, which forms a second reflector, a second Fabry-Perot resonator bounded on one side by the first reflector and on the other by a third reflector, an amplification section, a common amplification region, a control section, an absorption region, a first ohmic contact, a second ohmic contact, a third ohmic contact, an element which provides electrical insulation; the first optical Fabry-Perot resonator is optically coupled to the second optical Fabry-Perot resonator through part of a waveguide layer, wherein the reflectors form optical loss spectra at the output for which a given condition is satisfied. The heterostructure of the injection laser with multiwave modulated emission includes a waveguide layer enclosed between a wide-band gap emitter with p-type conductivity and a wide-band gap emitter with n-type conductivity, an active region consisting of at least one quantum-size active layer, and a substrate.

EFFECT: enabling variation of output optical power, generation wavelength, laser generation spectrum narrowing, high energy efficiency, shorter time for turning on and off emitted laser pulses.

7 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к инжекционным лазерам с многоволновым модулированным излучением.The present invention relates to quantum electronic technology, and more specifically to injection lasers with multi-wavelength modulated radiation.

Управление потоками лазерного излучения является важной задачей в области информационных систем, а также комплексов, использующих импульсное лазерное излучение. В известных инжекционных лазерах возможность получения управляемой последовательности лазерных импульсов обеспечивается либо прямой токовой модуляцией секции усиления, либо использованием внешних электрооптических модуляторов. В этом случае амплитуда генерируемого излучения задается амплитудой тока накачки, что ограничивает быстродействие при генерации мощных лазерных импульсов. В фотонных интегральных схемах для генерации лазерных импульсов на нескольких линиях используются дискретные элементы, что усложняет конструкцию. Обычно в подобных инжекционных лазерах управляемая последовательность лазерных импульсов обеспечивается прямой модуляцией тока накачки секции усиления. В этом случае генерация стимулированного излучения достигается за счет пропускания тока через полосковый омический контакт, размеры которого определяются шириной продольного волновода и длиной Фабри-Перо резонатора. Прямая модуляция тока накачки секции усиления обеспечивает увеличение или уменьшение количества инжектированных носителей заряда в активную область, которые в результате стимулированной рекомбинации уменьшают или увеличивают мощность, излучаемую Фабри-Перо модами (ФПМ), при токе накачки выше порога (L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)). При использовании внешних электрооптических модуляторов мощность, излучаемая инжекционным лазером, непрерывна, и глубина модуляции определяется только количеством излучения, поглощенным в модуляторе, т.е. принцип малосигнального управления не выполняется и на один поглощенный фотон необходимо пропустить один электрон в цепи фототока модулятора. Для модуляторов в виде интерферометра Маха-Цендера необходима высокая когерентность излучения, что не позволяет использовать мощные инжекционные лазеры. Оптимальные конструкции известных модуляторов не совместимы с оптимальными конструкциями лазерных гетероструктур. В результате они используются либо в виде внешних дискретных элементов, что усложняет технологию производства за счет необходимости стыковки волноводов, либо в виде гибридных элементов, полученных в результате отдельного этапа заращивания гетероструктуры, что усложняет технологию изготовления таких гетероструктур. Все известные модуляторы работают только на одной линии генерации.Control of laser radiation fluxes is an important task in the field of information systems, as well as complexes using pulsed laser radiation. In known injection lasers, the possibility of obtaining a controlled sequence of laser pulses is provided either by direct current modulation of the gain section or by using external electro-optical modulators. In this case, the amplitude of the generated radiation is determined by the amplitude of the pump current, which limits the speed when generating high-power laser pulses. In photonic integrated circuits, discrete elements are used to generate laser pulses on several lines, which complicates the design. Typically, in such injection lasers, a controlled sequence of laser pulses is provided by direct modulation of the pump current of the gain section. In this case, the generation of stimulated radiation is achieved by passing a current through a strip ohmic contact, the dimensions of which are determined by the width of the longitudinal waveguide and the length of the Fabry-Perot resonator. Direct modulation of the pump current of the gain section provides an increase or decrease in the number of injected charge carriers into the active region, which, as a result of stimulated recombination, decreases or increases the power emitted by the Fabry-Perot modes (FPM) at a pump current above the threshold (LA Coldren, SW Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (NY, John Wiley & Sons, 1995). When using external electro-optical modulators, the power emitted by the injection laser is continuous, and the modulation depth is determined only by the amount of radiation absorbed in the modulator, i.e. the principle of low-signal control is not fulfilled, and one electron is necessary to skip one electron in the photocurrent circuit of the modulator. Modulators in the form of a Mach-Zehnder interferometer require high radiation coherence, which does not allow the use of high-power injection lasers. The optimal designs of known modulators are not compatible with the optimal designs of laser heterostructures. As a result, they are used either in the form of external discrete elements, which complicates the production technology due to the need for docking of the waveguides, or in the form of hybrid elements obtained as a result of a separate stage of overgrowing of the heterostructure, which complicates the manufacturing technology of such heterostructures. All known modulators operate on only one generation line.

Известен инжекционный лазер (см. Sugawara, М., Hatori, N., Ishida, М., Ebe, H., Arakawa, Y., Akiyama, Т., Otsubo, K., Yamamoto, Т. and Nakata, Y. - Recent progress in selfassembled quantum-dot optical devices for optical telecommunication temperature-insensitive 10 Gb/s directly modulated lasers and 40 Gb/s signal-regenerative amplifier. - J. Phys. D Appl. Phys., 2005, 38, p.2126), включающий гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную гранями Фабри-Перо резонатора и протравленными мезаканавками, полосковый контакт с p-стороны.An injection laser is known (see Sugawara, M., Hatori, N., Ishida, M., Ebe, H., Arakawa, Y., Akiyama, T., Otsubo, K., Yamamoto, T. and Nakata, Y. - Recent progress in selfassembled quantum-dot optical devices for optical telecommunication temperature-insensitive 10 Gb / s directly modulated lasers and 40 Gb / s signal-regenerative amplifier. - J. Phys. D Appl. Phys., 2005, 38, p. 2126), which includes a heterostructure, a gain section formed in it, bounded by the Fabry-Perot edges of the resonator and etched mesan grooves, a strip contact on the p-side.

Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности. Возможно только однополосное лазерное излучение.A disadvantage of the known injection laser when operating in pulsed mode is the need to pump current amplification sections with pulses of current, the amplitude of which determines the level of output optical power. Only single-band laser radiation is possible.

Известно техническое решение, обеспечивающее получение управляемой последовательности импульсов, включающее инжекционный лазер, работающий в непрерывном режиме генерации и внешний модулятор в виде интерферометра Маха-Цендера (см. J.Е. ZUCKER, К.L. JONES, В.I. MILLER, AND U. KOREN. - IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 2, NO. I, JANUARY 1990 pp 32-34). В известном техническом решении управление интенсивностью непрерывного излучения инжекционного лазера обеспечивается изменением пропускания внешнего модулятора.A technical solution is known that provides a controlled sequence of pulses, including an injection laser operating in a continuous generation mode and an external modulator in the form of a Mach-Zehnder interferometer (see J.E. ZUCKER, K.L. JONES, B.I. MILLER, AND U. KOREN. - IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 2, NO. I, JANUARY 1990 pp 32-34). In the known technical solution, the control of the intensity of the continuous radiation of the injection laser is provided by changing the transmission of the external modulator.

Недостатком данного технического решения является необходимость использовать дополнительные оптические элементы, что усложняет технологию изготовления такого типа приборов. Возможна работа только на одной заданной линии лазерного излучения.The disadvantage of this technical solution is the need to use additional optical elements, which complicates the manufacturing technology of this type of device. It is possible to work only on one given line of laser radiation.

Известен инжекционный лазер (см. J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Connors.L.J. Missaggia, W. Loh, G.M. Smith, K.G. Ray. F.J. O'Donnell, J.P. Donnelly and P.W. Juodawlkis Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser. - ELECTRONICS LETTERS, - 1 st April 2010 Vol.46 No.7 p.522-523), включающий AlGaAs/InGaAs гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную протравленными мезаканавками и гранями Фабри-Перо резонатора, имеет длину Фабри-Перо резонатора 5 мм с нанесенными просветляющими (5%) и отражающими покрытиями (95%). С p-стороны инжекция осуществлялась через полосковый контакт шириной 5,7 мкм. Электрическое ограничение формировалось за счет протравленных мезаканавок. Управляемая последовательность импульсов в полупроводниковом лазере была получена при накачке полупроводникового лазера импульсами тока амплитудой 2,3 А, длительностью 35 нс и частотой 2 МГц. Пиковое значение выходной оптической мощности составило 2,3 Вт.The injection laser is known (see J. Klamkin, RK Huang, JJ Plant, MK Connors. LJ Missaggia, W. Loh, GM Smith, KG Ray. FJ O'Donnell, JP Donnelly and PW Juodawlkis Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser. - ELECTRONICS LETTERS, - 1 st April 2010 Vol.46 No.7 p.522-523), which includes an AlGaAs / InGaAs heterostructure formed in it by a gain section bounded by etched meshes and Fabry-Perot resonator faces, has a Fabry length 5 mm resonator feather coated with antireflection (5%) and reflective coatings (95%). On the p side, injection was carried out through a strip contact 5.7 μm wide. An electrical restriction was formed due to etched mesoscanules. A controlled pulse sequence in a semiconductor laser was obtained by pumping a semiconductor laser with current pulses with an amplitude of 2.3 A, a duration of 35 ns, and a frequency of 2 MHz. The peak value of the output optical power was 2.3 watts.

К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также необходимость модуляции тока инжекции в области усиления, что требует увеличения амплитуды тока накачки для повышения амплитуды выходного оптического сигнала. Возможна работа только на одной заданной линии лазерного излучения.The disadvantages of the claimed device include a low peak output optical power, as well as the need to modulate the injection current in the amplification region, which requires an increase in the amplitude of the pump current to increase the amplitude of the output optical signal. It is possible to work only on one given line of laser radiation.

Известен инжекционный лазер (см. N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, O. Parillauda, M. Krakowski, I.Esquivias, H. Odriozola, J.M.G. Tijerob, C.H. Kwokc, R.V. Pentyc, I.H. White. - Two-sections tapered diode lasers for 1 Gbps free-space optical communications with high modulation efficiency Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. - Proc. of SPIE Vol.7616, 76161F · 2010 SPIE · CCC code: 0277-786X/10/$18 · doi: 10.1117/12.840702) на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктуры, включающий секцию управления длиной 1 мм, представляющую полосковую конструкцию, ограниченную в продольном направлении протравленными мезаканавками, и секцию усиления длиной 2 мм, характеризующуюся расширяющейся в плоскости слоев гетероструктуры под углом 40° областью инжекции. Секция усиления и секция управления были электрически изолированы друг от друга. Была получена управляемая последовательность оптических импульсов амплитудой 530 мВт при генерации случайной последовательности со скоростью 1 Гбит/с. Достигнутые импульсные характеристики были получены при непрерывной накачке секции усиления током 1,1 А и импульсной накачке секции управления током амплитудой 48 мА. Физический принцип работы предлагаемой конструкции заключался в следующем: оптический импульс, генерируемый импульсным током накачки в секции управления, усиливался, распространяясь в секции усиления. Секции усиления и управления образовывали составной Фабри-Перо резонатор, длина которого определялась суммами длин каждой из секций.An injection laser is known (see N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, O. Parillauda, M. Krakowski, I. Esquivias, H. Odriozola, JMG Tijerob, CH Kwokc, RV Pentyc , IH White. - Two-sections tapered diode lasers for 1 Gbps free-space optical communications with high modulation efficiency Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. - Proc. Of SPIE Vol.7616, 76161F · 2010 SPIE · CCC code: 0277- 786X / 10 / $ 18 · doi: 10.1117 / 12.840702) based on an AlGaAs / InGaAs / GaAs heterostructure, including a control section 1 mm long, representing a strip structure bounded in the longitudinal direction by etched meshes, and a gain section 2 mm long, characterized by expanding in the plane heterostrue layers 40 ° angle injection area. The amplification section and the control section were electrically isolated from each other. A controlled sequence of optical pulses with an amplitude of 530 mW was obtained by generating a random sequence at a speed of 1 Gbit / s. The achieved impulse characteristics were obtained by continuously pumping the amplification section with a current of 1.1 A and pulsed pumping of the current control section with an amplitude of 48 mA. The physical principle of the proposed design was as follows: the optical pulse generated by the pulsed pump current in the control section was amplified, propagating in the gain section. The gain and control sections formed a composite Fabry-Perot resonator, the length of which was determined by the sum of the lengths of each of the sections.

К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также работа только на одной заданной линии лазерного излученияThe disadvantages of the claimed device include the low value of the peak output optical power, as well as work only on one given line of laser radiation

Известен самоосцилирующий лазерный диод (см. заявка KR 100818635, МПК H01S 3/0941, опубликована 02.04.2008). Известный лазерный диод включает секцию с распределенной обратной связью, секцию усиления, секцию фазовой подстройки и внешний источник тока инжекции, модулированного в радиочастотном диапазоне. Секция обратной связи выполняет роль зеркала. Секция усиления связана с секцией обратной связи и расположена в конце секции обратной связи. Секция усиления и секция обратной связи формируют Фабри-Перо резонатор. Внешний источник тока инжекции осуществляет накачку по меньшей мере части секции обратной связи и секции усиления. Внешний источник согласован с секциями накачки, что позволяет сохранить широкий диапазон перестройки частоты и генерирующий стабильные ультакороткие импульсы. Известный лазерный диод обеспечивает излучение стабильных оптических ультракоротких импульсов посредством модуляции тока инжекции в радиочастотном диапазоне. Известное изобретение позволяет получать последовательность оптических импульсов с частотой до 40 ГГц.Known self-oscillating laser diode (see application KR 100818635, IPC H01S 3/0941, published 02.04.2008). A known laser diode includes a distributed feedback section, a gain section, a phase adjustment section, and an external injection current source modulated in the radio frequency range. The feedback section acts as a mirror. The gain section is connected to the feedback section and is located at the end of the feedback section. The gain section and the feedback section form the Fabry-Perot resonator. An external injection current source pumps at least a portion of the feedback section and the amplification section. An external source is aligned with the pump sections, which allows you to maintain a wide frequency tuning range and generating stable ultrashort pulses. The known laser diode provides the emission of stable optical ultrashort pulses by modulating the injection current in the radio frequency range. The known invention allows to obtain a sequence of optical pulses with a frequency of up to 40 GHz.

Недостатком известного лазерного диода являются низкие уровни выходной оптической мощности, которые достигаются при токах накачки, не превышающих 100 мА, а также невозможность выбора заданной последовательности выходных оптических импульсов. Генерация происходит на одной заданной линии лазерного излучения.A disadvantage of the known laser diode is the low levels of output optical power, which are achieved with pump currents not exceeding 100 mA, as well as the inability to select a given sequence of output optical pulses. Generation occurs on one given line of laser radiation.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношениюThe closest in technical essence and in the aggregate of essential features is an injection laser (see patent RU 2259620, IPC H01S 5/32, published August 27, 2005). The injection laser prototype contains a separate confinement heterostructure, including a multimode waveguide, the confining layers of which are simultaneously emitters of p- and n-type conductivity with the same refractive indices, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, the location of which in the waveguide and the thickness of the waveguide satisfy the relation

где $Г_{Q W}^{0}$

и

Г_{Q W}^{m}

- факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, формирующие Фабри-Перо резонатор и омические контакты. Омические контакты и оптические грани формируют секцию усиления. Известный инжекционный лазер работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора.Where

G_{Q W}^{}

and

G_{Q W}^{m}

are the optical confinement factors for the active region of the zero mode and mode m (m = 1, 2, 3 ...), respectively. The injection laser also contains reflectors, optical faces forming a Fabry-Perot resonator, and ohmic contacts. Ohmic contacts and optical faces form a gain section. The well-known injection laser operates only in the Fabry-Perot resonator mode generation mode.

Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности, а также наличием переходных процессов при включении лазерной генерации, связанных с накоплением пороговой концентрации носителей заряда в активной области. Генерация происходит на одной заданной линии лазерного излучения.The known injection laser has a small divergence of radiation while maintaining a high value of efficiency and output power of the radiation. A disadvantage of the known injection laser when operating in pulsed mode is the need for pumping current amplification sections with pulses, the amplitude of which determines the level of output optical power, as well as the presence of transient processes when laser generation is turned on, associated with the accumulation of a threshold concentration of charge carriers in the active region. Generation occurs on one given line of laser radiation.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, которая бы обеспечивала изменение выходной оптической мощности и длины волны генерации электрическими сигналами управления существенно меньшей мощности и токовой амплитуды по сравнению с пиковым уровнем оптической мощности излучаемого лазерного импульса и амплитуды тока накачки без использования внешних электрооптических элементов, а также заужение спектра лазерной генерации, повышение энергетической эффективности, снижение времени включения и выключения излучаемых лазерных импульсов.The present invention was the development of such an injection laser design, which would provide a change in the output optical power and wavelength generated by electric control signals of significantly lower power and current amplitude compared to the peak optical power level of the emitted laser pulse and the amplitude of the pump current without the use of external electro-optical elements, as well as narrowing the spectrum of laser generation, increasing energy efficiency, reducing the time on eniya off and emitted laser pulses.

Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер включает выращенную на подложке гетероструктуру, волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, первый оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны первым распределенным Брэгговским зеркалом, формирующим второй отражатель такой, что отделяет моду первого оптического Фабри-Перо резонатора по меньшей мере от части второго оптического Фабри-Перо резонатора, второй оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны третьим отражателем, первый омический контакт, нанесенный на внешнюю сторону подложки, по меньшей мере один второй омический контакт к первому оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий секцию усиления с расположенной в ней областью инжекции и областью усиления общую по меньшей мере для части первого и части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один третий омический контакт ко второму оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости вне области распространения мод первого оптического Фабри-Перо резонатора, и формирующий секцию управления с расположенной в ней областью поглощения, по меньшей мере один второй омический контакт является электрически изолированным по меньшей мере от одного третьего омического контакта, первый оптический Фабри-Перо резонатор оптически связан со вторым оптическим Фабри-Перо резонатором по меньшей мере через часть общего волноводного слоя. Отражатели формируют такие спектры оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора, что выполняется условиеThe problem is solved in that the injection laser includes a heterostructure grown on a substrate, a waveguide layer enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, the first an optical Fabry-Perot resonator bounded on one side by a first reflector, on the other hand by a first distributed Bragg mirror forming a second reflector such that it separates the mode the first optical Fabry-Perot resonator from at least a portion of the second optical Fabry-Perot resonator, the second optical Fabry-Perot resonator, bounded on one side by the first reflector, on the other hand by the third reflector, the first ohmic contact deposited on the outside of the substrate, at least at least one second ohmic contact to the first optical Fabry-Perot resonator located on the p-type emitter side and forming a gain section with an injection region located in it and a common gain region for at least part of the first and part of the second optical Fabry-Perot resonator, at least one third ohmic contact to the second optical Fabry-Perot resonator located on the p-type emitter side outside the mode propagation region of the first optical Fabry-Perot resonator, and forming a control section with an absorption region located therein, at least one second ohmic contact is electrically isolated from at least one third ohmic contact, the first optical The Fabry-Perot resonator is optically coupled to the second optical Fabry-Perot resonator through at least a portion of the common waveguide layer. Reflectors form such output loss optical spectra for the first optical Fabry-Perot resonator and the second optical Fabry-Perot resonator that the condition

λ_min1≠λ_min2 λ _min1 ≠ λ _min2

где: λ_min1 - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для первого оптического Фабри-Перо резонатора, нм;where: λ _min1 is the wavelength corresponding to the minimum optical loss at the radiation output for the first optical Fabry-Perot resonator, nm;

λ_min2 - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для второго оптического Фабри-Перо резонатора, нм.λ _min2 is the wavelength corresponding to the minimum optical loss at the radiation output for the second optical Fabry-Perot resonator, nm.

Первый отражатель может быть сформирован естественно сколотой гранью с нанесенным интерференционным покрытием или распределенным Брэгговским зеркаломThe first reflector can be formed naturally by a chipped face with an interference coating or distributed Bragg mirror

Третий отражатель может быть сформирован естественно сколотой гранью с нанесенным интерференционным покрытием или распределенным Брэгговским зеркаломThe third reflector can be naturally formed by a cleaved face with an interference coating or distributed Bragg mirror

Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, обеспечивающего уменьшение поглощения фотонов мод второго оптического Фабри-Перо резонатора, при инжекции носителей заряда в активную область в случае прямо смещенного p-n перехода секции управления.The control section may include an active region consisting of at least one quantum-well active layer, which provides a decrease in the absorption of photons of the modes of the second optical Fabry-Perot resonator, when charge carriers are injected into the active region in the case of a directly biased p-n junction of the control section.

Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, обеспечивающего увеличение поглощения фотонов мод второго оптического Фабри-Перо резонатора, при экстракции носителей заряда из активной области в случае обратно смещенного p-n перехода секции управления.The control section may include an active region consisting of at least one quantum-well active layer, which provides an increase in the absorption of photons of the modes of the second optical Fabry-Perot resonator during the extraction of charge carriers from the active region in the case of a reverse biased p-n junction of the control section.

По меньшей мере часть области объемного заряда может быть сформирована волноводным слоем секции управления.At least a portion of the space charge region may be formed by the waveguide layer of the control section.

Распределенное Бреговское зеркало первого отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.The distributed Bregov mirror of the first reflector can be formed in the bulk of the heterostructure or on the surface of the heterostructure.

Распределенное Бреговское зеркало второго отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.The distributed Bregov mirror of the second reflector can be formed in the bulk of the heterostructure or on the surface of the heterostructure.

Распределенное Бреговское зеркало третьего отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.The distributed Bregov mirror of the third reflector can be formed in the bulk of the heterostructure or on the surface of the heterostructure.

Электрическая изоляция первого омического контакта от второго омического контакта может быть обеспечена поверхностным распределенным Брегговским зеркалом.The electrical isolation of the first ohmic contact from the second ohmic contact can be provided by a surface distributed Bragg mirror.

Электрическая изоляция первого омического контакта от второго омического контакта может быть обеспечена протравливанием мезаканавок, имплантацией ионов (кислорода, аргона, азота, водорода и др.) или заращиванием высокоомным материалом.Electrical isolation of the first ohmic contact from the second ohmic contact can be provided by etching the meshes, implanting ions (oxygen, argon, nitrogen, hydrogen, etc.) or by overgrowing with high-resistance material.

Новым в настоящем инжекционном лазере является второй отражатель, такой, что отделяет моду первого оптического Фабри-Перо резонатора по меньшей мере от части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один второй омический контакт к первому оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий секцию усиления с расположенной в ней областью инжекции и областью усиления общую по меньшей мере для части первого оптического Фабри-Перо резонатора и части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один третий омический контакт ко второму оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости вне области распространения мод первого оптического Фабри-Перо резонатора, и формирующий секцию управления с расположенной в ней областью поглощения, по меньшей мере один второй омический контакт является электрически изолированным по меньшей мере от одного третьего омического контакта, первый оптический Фабри-Перо резонатор оптически связан со вторым оптическим Фабри-Перо резонатором по меньшей мере через часть общего волноводного слоя. Отражатели формируют такие спектры оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора, что выполняется условиеNew in this injection laser is a second reflector, such that it separates the mode of the first optical Fabry-Perot resonator from at least one second ohmic contact to the first optical Fabry-Perot resonator located on the side p-type emitter and forming an amplification section with an injection region and an amplification region located in it, common for at least part of the first optical Fabry-Perot resonator and part of the second optical Fa a Brie-Perot resonator, at least one third ohmic contact to the second optical Fabry-Perot resonator located on the p-type emitter side outside the mode propagation region of the first optical Fabry-Perot resonator, and forming a control section with an absorption region located therein, at least one second ohmic contact is electrically isolated from at least one third ohmic contact, the first optical Fabry-Perot resonator is optically coupled to the second optical Fabry EPO resonator through at least part of the common waveguide layer. Reflectors form such output loss optical spectra for the first optical Fabry-Perot resonator and the second optical Fabry-Perot resonator that the condition

λ_min1≠λ_min2 λ _min1 ≠ λ _min2

Улучшение таких характеристик как управление выходной оптической мощностью для выбранных линий генерации электрическими сигналами управления существенно меньшей токовой амплитуды и мощности, чем амплитуда тока накачки секции усиления и излучаемая пиковая мощность, многоволновая генерация, заужение спектра лазерной генерации, снижение теплового разогрева кристалла, повышение надежности работы, снижение времени переключения генерации между модами Фабри-Перо резонаторов обеспечивается за счет реализации эффекта модовой конкуренции и малосигнального управления оптическими потерями для одной из мод в результате использования конструкции инжекционного лазера, включающей два оптически связанных Фабри-Перо резонатора для Фабри-Перо мод, электрически изолированные секции усиления и секции управления спектральных зависимостей коэффициентов отражателей таких, что λ_min1≠λ_min2.Improving such characteristics as controlling the output optical power for selected lines of generation by electric control signals of a significantly lower current amplitude and power than the amplitude of the pump current of the gain section and the radiated peak power, multi-wave generation, narrowing of the laser generation spectrum, reducing the thermal heating of the crystal, increasing the reliability of operation, reduction of the switching time of generation between Fabry-Perot resonator modes is ensured by the implementation of the mode competition effect and small-signal controlling the optical losses for one of the modes by the use of the design of an injection laser, comprising two optically coupled Fabry-Perot resonator for the Fabry-Perot modes, electrically isolated sections amplification and control section spectral dependences reflectors coefficients such that λ _min1 ≠ λ _min2.

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, гдеThe inventive injection laser is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показан заявляемый инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением, включающим два Фабри-Перо резонатора, секцию усиления и секцию управления;figure 1 shows the inventive injection laser with multi-wavelength modulated radiation, including two Fabry-Perot resonators, a gain section and a control section;

на фиг.2 приведены качественные зависимости материального усиления (G) в секции усиления от длины волны (λ) для случая G₁=G₂ (кривая 1); коэффициентов отражения второго отражателя (R₂) (кривая 2) и третьего отражателя (R₃) (кривая 3) от длины волны (λ) для случая G₁=G₂; материального усиления (G) в секции усиления от длины волны (λ) для случая ΔG≠0 (кривая 4); коэффициентов отражения второго отражателя (R₂) (кривая 5) и третьего отражателя (R₃) (кривая 6) от длины волны (λ) для случая ΔG≠0; положения линии генерации первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ_min1) и линии генерации второго оптического Фабри-Перо резонатора (λ_min2);figure 2 shows the qualitative dependence of the material gain (G) in the gain section on the wavelength (λ) for the case G ₁ = G ₂ (curve 1); reflection coefficients of the second reflector (R ₂ ) (curve 2) and the third reflector (R ₃ ) (curve 3) from the wavelength (λ) for the case G ₁ = G ₂ ; material gain (G) in the gain section from wavelength (λ) for the case ΔG ≠ 0 (curve 4); reflection coefficients of the second reflector (R ₂ ) (curve 5) and the third reflector (R ₃ ) (curve 6) of the wavelength (λ) for the case ΔG ≠ 0; the position of the generation line of the first optical Fabry-Perot resonator (λ _min1 ) and the generation line of the second optical Fabry-Perot resonator (λ _min2 );

на фиг.3 приведены схематические диаграммы для первого способа управления, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I_pump), отн. ед. - кривая 7; тока секции управления (I_contr), отн.ед. - кривая 8; избыточных оптических потерь секции управления (Δα), отн. ед. - кривая 9; мощности, излучаемой модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ_min1 (P_FP1), отн.ед. - кривая 10; мощности, излучаемой модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ_min2 (P_FP2), отн.ед. - кривая 11;figure 3 shows a schematic diagram for the first control method, characterizing the time dependence of the following parameters: current gain section (I _pump ), rel. units - curve 7; control section current (I _contr ), rel. - curve 8; excess optical loss of the control section (Δα), rel. units - curve 9; power emitted by the mode of the first optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of λ _min1 (P _FP1 ), rel. - curve 10; power emitted by the mode of the second optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of λ _min2 (P _FP2 ), rel. - curve 11;

на фиг.4 приведены схематические диаграммы для второго способа управления, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I_pump), отн. ед. - кривая 12; напряжения секции управления (U_contr), отн.ед. - кривая 13; избыточных оптических потерь секции управления (Δα), отн. ед. - кривая 14; мощности, излучаемой модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ_min1 (P_FP1), отн. ед. - кривая 15; мощности, излучаемой модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ_min2 (P_FP2), отн. ед. - кривая 16.figure 4 shows a schematic diagram for the second control method, characterizing the time dependence of the following parameters: current gain section (I _pump ), rel. units - curve 12; control section voltage (U _contr ), rel. - curve 13; excess optical loss of the control section (Δα), rel. units - curve 14; power emitted by the mode of the first optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of λ _min1 (P _FP1 ), rel. units - curve 15; power emitted by the mode of the second optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of λ _min2 (P _FP2 ), rel. units - curve 16.

Настоящий инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением на основе гетероструктуры (см. фиг.1) содержит первый оптический Фабри-Перо резонатор 1, ограниченный с одной стороны первым отражателем 2 (заштриховано непрерывными линиями с левым наклоном), с другой стороны первым распределенным Брэгговским зеркалом 3 (заштриховано непрерывными вертикальными линиями), формирующим второй отражатель 4 (заштриховано непрерывными линиями с правым наклоном), второй оптический Фабри-Перо резонатор 5, ограниченный с одной стороны первым отражателем 1, с другой стороны третьим отражателем 6 (заштриховано непрерывными пересекающимися линиями), секцию усиления 7, общая область усиления 8 (заштрихована пунктирными вертикальными линиями), секцию управления 9, область поглощения 10 (заштрихована пунктирными горизонтальными линиями), первый омический контакт 11 (заштрихован наклонной пунктирной линией), второй омический контакт 12 (заштрихован наклонной пунктирной линией), третий омический контакт 13 (заштрихован наклонной пунктирной линией), элемент 14, обеспечивающий электрическую изоляцию. Гетероструктура настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением включает волноводный слой 15, заключенный между широкозонным эмиттером p-типа проводимости 16 и широкозонным эмиттером n-типа проводимости 17, активную область 18, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, подложку 19.The present injection laser with a multiwavelength modulated radiation based on a heterostructure (see Fig. 1) contains a first Fabry-Perot resonator 1, bounded on one side by a first reflector 2 (shaded by continuous lines with a left slope), on the other hand, by a first distributed Bragg mirror 3 (shaded by continuous vertical lines) forming the second reflector 4 (shaded by continuous lines with a right slope), the second optical Fabry-Perot resonator 5, limited on one side by the first tracer 1, on the other hand, by the third reflector 6 (shaded by continuous intersecting lines), gain section 7, total gain region 8 (shaded by dashed vertical lines), control section 9, absorption region 10 (shaded by dashed horizontal lines), first ohmic contact 11 ( is shaded by an oblique dashed line), the second ohmic contact 12 (is shaded by an oblique dashed line), the third ohmic contact 13 (is shaded by an oblique dashed line), element 14, providing electrical isolation. The heterostructure of the present multi-wavelength modulated injection laser includes a waveguide layer 15 enclosed between a wide-band p-type emitter 16 and a wide-band n-type emitter 17, an active region 18 consisting of at least one quantum-well active layer, a substrate 19.

Принцип генерации модулированного многоволнового лазерного излучения, реализованный в предлагаемом техническом решении, основан на управляемом переключении лазерной генерации между двумя устойчивыми Фабри-Перо модами интегрированных оптических Фабри-Перо резонаторов 1 и 5 (фиг.1). Для реализации заявленного принципа была предложена конструкция инжекционного лазера, показанная на фиг.1. Секция усиления 7 предназначена для накачки стационарным или квазистационарным током, определяющим амплитуду выходного оптического сигнала генерируемых модовых структур. Первый отражатель 2, с коэффициентом отражения R₁, может быть сформирован естественно сколотой гранью с напыленным просветляющим покрытием или распределенным Брегговским зеркалом. Второй отражатель 4 на основе распределенного Брегговского зеркала 3, с коэффициентом отражения R₂, сформирован периодическим рельефом показателя преломления вдоль оси резонатора, дающим эффект внутренней дифракционной решетки. В этом случае максимальная добротность будет только для лазерного излучения, попадающего в узкий спектр, что дает узкий спектр генерации (фиг.2). Секция управления 9 предназначена для управления оптическими потерями моды, распространяющейся в оптическом Фабри-Перо резонаторе 5, при этом третий отражатель 6 может быть также как второй отражатель 4 сформирован периодическим рельефом показателя преломления вдоль оси резонатора, дающим эффект внутренней дифракционной решетки. При этом естественно сколотая грань, третий отражатель 6, может иметь просветляющее покрытие, подавляющее обратную связь от линий, не попадающих в спектр отражения третьего отражателя на основе распределенного Брегговского зеркала. Т.к. спектры генерации резонаторов первого оптичекого Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 задаются спектрами отражения второго и третьего отражателей, соответственно, то, управляя параметрами периодического рельефа (период, показатель преломления), можно независимо настраивать спектральный состав излучения оптических Фабри-Перо резонаторов.The principle of generation of modulated multi-wavelength laser radiation, implemented in the proposed technical solution, is based on a controlled switching of laser generation between two stable Fabry-Perot modes of integrated optical Fabry-Perot resonators 1 and 5 (Fig. 1). To implement the claimed principle, an injection laser design was proposed, shown in figure 1. The amplification section 7 is designed for pumping by a stationary or quasi-stationary current, which determines the amplitude of the output optical signal of the generated mode structures. The first reflector 2, with a reflection coefficient R ₁ , can be naturally formed by a chipped face with a sprayed antireflection coating or distributed Bragg mirror. The second reflector 4 based on the distributed Bragg mirror 3, with a reflection coefficient R ₂ , is formed by a periodic relief of the refractive index along the axis of the resonator, giving the effect of an internal diffraction grating. In this case, the maximum figure of merit will only be for laser radiation falling into a narrow spectrum, which gives a narrow generation spectrum (figure 2). The control section 9 is designed to control the optical loss of the mode propagating in the Fabry-Perot optical resonator 5, while the third reflector 6 can also be formed as a second reflector 4 by a periodic relief of the refractive index along the axis of the resonator, giving the effect of an internal diffraction grating. In this case, the naturally cleaved face, the third reflector 6, can have an antireflection coating that suppresses feedback from lines that do not fall into the reflection spectrum of the third reflector based on the distributed Bragg mirror. Because The emission spectra of the resonators of the first optical Fabry-Perot resonator 1 and the second optical Fabry-Perot resonator 5 are determined by the reflection spectra of the second and third reflectors, respectively, then, by controlling the parameters of the periodic relief (period, refractive index), it is possible to independently adjust the spectral composition of the optical Fabry Pen resonators.

В рассмотренной конструкции могут существовать две устойчивые модовые конфигурации: для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора с длинами волн λ_min1 и λ_min2, соответственно. Для обеспечения устойчивой одномодовой генерации необходимо, чтобы пороговое материальное усиление выбранной модовой структуры достигалось при минимальной концентрации носителей в активной области секции усиления 7. В этом случае, используя малосигнальное управление потерями моды второго оптического Фабри-Перо резонатора, можно переключать генерацию между Фабри-Перо модами. В предложенной конструкции инжекционного лазера могут существовать две устойчивые модовые структуры, соответствующие первому и второму Фабри-Перо резонаторам с пороговыми модальными усилениями g_th1 и g_th2, соответственно, описываемые с помощью следующих равенствIn the considered construction, two stable mode configurations can exist: for the first optical Fabry-Perot resonator and the second optical Fabry-Perot resonator with wavelengths λ _min1 and λ _min2 , respectively. To ensure stable single-mode generation, it is necessary that the threshold material gain of the selected mode structure is achieved with a minimum carrier concentration in the active region of the gain section 7. In this case, using the low-signal loss control of the modes of the second optical Fabry-Perot resonator, one can switch the generation between Fabry-Perot modes . In the proposed injection laser design, there can exist two stable mode structures corresponding to the first and second Fabry-Perot cavities with threshold modal amplifications g _th1 and g _th2 , respectively, described by the following equalities

где G_th(λ_min1), G_th(λ_min2) - пороговые материальные усиления для мод первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, соответственно, Δα - избыточные оптические потери в секции управления 9, а отношение $\frac{L_{2} - L_{1}}{L_{2}}$

определяет долю моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, приходящуюся на секцию управления 9, α_i - внутренние оптические потери, Г_FP1 и Г_FP2 - факторы оптического ограничения в области усиления для мод первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, R₁(λ_min1), R₁(λ_min2), R₂(λ_min1), R₃(λ_min2) - коэффициенты отражения первого 2, второго 4 и третьего 6 отражателей на длинах волн генерации, L₁, L₂ - длина первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, соответственно.where G _th (λ _min1 ), G _th (λ _min2 ) are the threshold material amplifications for the modes of the first optical Fabry-Perot resonator 1 and the second optical Fabry-Perot resonator 5, respectively, Δα is the excess optical loss in the control section 9, and the ratio

\frac{L_{2} - L_{one}}{L_{2}}

determines the mode fraction of the second optical Fabry-Perot resonator 5, which falls on the control section 9, α _i are the internal optical losses, Г _FP1 and Г _FP2 are the optical limiting factors in the gain region for the modes of the first optical Fabry-Perot resonator 1 and the second optical Fabry The resonator feather 5, R ₁ (λ _min1 ), R ₁ (λ _min2 ), R ₂ (λ _min1 ), R ₃ (λ _min2 ) are the reflection coefficients of the first 2, second 4, and third 6 reflectors at the generation wavelengths, L ₁ , L ₂ is the length of the first optical Fabry-Perot resonator 1 and the second optical Fabry-Perot resonator 5, respectively.

Из соотношений (1) и (2) видно, что пороговое усиление, определяющее длину волны генерации, задается спектральной зависимостью оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (α_out1(λ)) и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, через спектральные зависимости коэффициентов отражения R₁(λ), R₂(λ), R₃(λ)It can be seen from relations (1) and (2) that the threshold gain, which determines the generation wavelength, is determined by the spectral dependence of the optical output loss for the first optical Fabry-Perot resonator 1 (α _out1 (λ)) and the second optical Fabry-Perot resonator 5 through the spectral dependences of the reflection coefficients R ₁ (λ), R ₂ (λ), R ₃ (λ)

Для выполнения требования генерации на разных длинах волн необходимо, чтобы длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ_min1), отличалась от длины волны, соответствующей минимуму оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ_min2)To meet the generation requirement at different wavelengths, it is necessary that the wavelength corresponding to the minimum optical output loss for the first optical Fabry-Perot resonator (λ _min1 ) differs from the wavelength corresponding to the minimum optical output loss for the first optical Fabry-Perot resonator (λ _min2 )

Тогда условие устойчивой генерации только одной моды реализуется, когда материальное усиление для нее минимально, и может быть записано для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1Then the condition for stable generation of only one mode is realized when the material gain is minimal for it, and can be written for the mode of the first optical Fabry-Perot resonator 1

для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5for the mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5

Из выражений (1) и (2) видно, что управлять условием выполнения неравенств (6) и (7) можно варьируя величиной Δα - избыточные оптические потери в секции управления 9.It can be seen from expressions (1) and (2) that the condition for the fulfillment of inequalities (6) and (7) can be controlled by varying the quantity Δα — excess optical losses in the control section 9.

Можно определить два способа работы настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением. Для первого способа, при непрерывной или модулированной накачке секции усиления 7 и отсутствии управляющего сигнала, выполнены пороговые условия для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (фиг.3 кривая 7, 8, 10, 11). Это значит, что потери в секции управления 9 выше значения внутренних оптических потерь (α_i) за счет межзонного поглощения не просветленной активной области 18, расположенной в секции управления 9 (фиг.3 кривая 9). Сигнал управления в виде прямого тока (I_contr) компенсирует потери секции управления 9 (фиг.3 кривая 9). В результате генерация переключается с моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 на моду второго оптического Фабри-Перо резонатора 5. Выключение сигнала управления восстанавливает остаточное поглощение секции управления 9, в результате происходит самопроизвольное переключение генерации с моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 на моду первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (фиг.3 кривая 7, 8, 10, 11). Как видно из описанных выше принципов, величина I_contr определяет степень просветления секции управления 9. Использование больших значений тока управления также позволит обеспечить условия, когда в секции управления 9 будет происходить усиление.Two methods of operation of a true multi-wavelength modulated injection laser can be determined. For the first method, with continuous or modulated pumping of the gain section 7 and the absence of a control signal, the threshold conditions for the mode of the first optical Fabry-Perot resonator 1 are fulfilled (Fig. 3 curve 7, 8, 10, 11). This means that the loss in the control section 9 is higher than the value of the internal optical loss (α _i ) due to the interband absorption of the unclarified active region 18 located in the control section 9 (Fig. 3 curve 9). The control signal in the form of a direct current (I _contr ) compensates for the loss of the control section 9 (Fig. 3 curve 9). As a result, the generation switches from the mode of the first optical Fabry-Perot resonator 1 to the mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5. Turning off the control signal restores the residual absorption of the control section 9, as a result, the generation spontaneously switches from the mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5 to the mode the first optical Fabry-Perot resonator 1 (Fig. 3 curve 7, 8, 10, 11). As can be seen from the principles described above, the value of I _contr determines the degree of enlightenment of the control section 9. The use of large values of the control current will also make it possible to ensure that amplification occurs in the control section 9.

Второй способ работы настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением реализуется в условиях, когда непрерывная или модулированная накачка секции усиления 7 и отсутствие управляющего сигнала создают условия для генерации только моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 (фиг.4 кривая 12, 13, 15, 16). Физические причины, вызывающие генерацию моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 без внешнего управления, связаны с двумя факторами. Первый фактор - это частичное просветление активной области секции 18, расположенной в секции управления 9 излучением секции усиления 7. Второй фактор - это рассогласование спектров поглощения секции управления 9 и усиления секции усиления 7 за счет уменьшения ширины запрещенной зоны активной области секции усиления 7 в результате экранировки межатомного потенциала накопленными носителями заряда (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 682 (2011); С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 672 (2011)) и частично температурного разогрева (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 1431 (2011)). Эти факторы играют определяющую роль при достаточно близком положении линий генерации (фиг.2 кривая 1, 2, 3). Компенсация остаточных потерь также может быть реализована за счет разнесения линий генерации, что формирует требуемую величину ДС (фиг.2 кривая 4, 5, 6). Для второго способа управляющим сигналом будет обратное напряжение (U_contr), позволяющее экстрагировать накопленные в активной области фотогенерированные носители заряда, и за счет квантоворазмерного эффекта Штарка увеличить поглощение на длине волны генерации λ_min2 моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 (фиг.4 кривая 13, 14, 15, 16). Необходимо отметить, что значение выходной оптической мощности определяется амплитудой тока накачки секции усиления (I_pump), которая не меняется в процессе переключения. Все управление процессом переключения модовых структур происходит посредством приложения малосигнальных импульсов тока (I_contr) или напряжения (U_contr) к секции управления 9.The second method of operation of this injection laser with multiwave modulated radiation is realized under conditions when continuous or modulated pumping of the gain section 7 and the absence of a control signal create conditions for generating only the mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5 (Fig. 4 curve 12, 13, 15, 16). The physical reasons for the generation of the mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5 without external control are associated with two factors. The first factor is the partial illumination of the active region of section 18 located in the radiation control section 9 of the amplification section 7. The second factor is the mismatch of the absorption spectra of the control section 9 and the amplification of the amplification section 7 by reducing the band gap of the active region of the amplification section 7 as a result of screening of the interatomic potential by accumulated charge carriers (S.O. Slipchenko, A.A. Podoskin, N.A. Pikhtin, A.L. Stankevich, N.A. Rudova, A.Yu. Leshko, I.S. Tarasov, FTP, 45, 682 (2011); S.O. Slipchenko, A.A. Podoskin, N.A. Pikhtin, Z.N Sokolova, A.Yu. Leshko, I.S. Tarasov, FTP, 45, 672 (2011)) and partially temperature heating (S.O. Slipchenko, A.A. Podoskin, D.A. Vinokurov, A.L. Stankevich, A.Yu. Leshko, N.A. Pikhtin, V.V. Zabrodsky, I.S. Tarasov, FTP, 45, 1431 (2011)). These factors play a decisive role at a fairly close position of the generation lines (Fig. 2 curve 1, 2, 3). Compensation of residual losses can also be realized due to the spacing of the generation lines, which forms the required DS value (Fig. 2 curve 4, 5, 6). For the second method, the control signal will be the reverse voltage (U _contr ), which allows extracting photogenerated charge carriers accumulated in the active region and, due to the quantum-well Stark effect, increase the absorption at the generation wavelength λ _{min2 of the} mode of the second optical Fabry-Perot resonator 5 (Fig. 4 curve 13, 14, 15, 16). It should be noted that the value of the output optical power is determined by the amplitude of the pump current of the amplification section (I _pump ), which does not change during the switching process. All control of the process of switching mode structures occurs by applying small-signal current pulses (I _contr ) or voltage (U _contr ) to the control section 9.

Пример 1Example 1

Известно, что непрерывная выходная оптическая мощность на уровне 10 Вт достигается в инжекционных лазерах на основе асимметричных гетероструктур при ширине области усиления 100 мкм. Для реализации настоящего инжекционного лазера для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и 3М была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой GaAs толщиной 1,7 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In_0.24Ga_0.74As толщиной 8 нм, смещенную относительно центра волноводного слоя на 0,2 мкм, и обеспечивающую максимальную электролюминесценцию в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности 5 Вт для моды первого Фабри-Перо резонатора выбрали ширину секции усиления 7, равной 100 мкм. Из условия сохранения высокого значения дифференциальной эффективности длину первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 выбрали 1.5 мм, что также соответствовало длине секции усиления 7. Длину второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 выбрали 2.5 мм. Это обеспечило возможность сформировать секцию управления 9 длиной 0.7 мм. Значение пиковой выходной оптической мощности 5 Вт достигалось при накачке секции усиления 7 током 5.5 А. Ширина секции управления 9 выбиралась равной ширине секции усиления 7, исходя из технологической простоты изготовления.It is known that a continuous output optical power of 10 W is achieved in injection lasers based on asymmetric heterostructures with a gain region width of 100 μm. To implement a real injection laser for the first method of obtaining a controlled sequence of laser pulses by switching the lasing regimes between the PMF and 3M, a heterostructure was made including a 1.7-μm-thick GaAs waveguide layer enclosed between a p-type wide-gap Al _0.3 Ga _0.7 As emitter 1.5 microns, and the emitter of wide-Al _0.3 Ga _0.7 As n-type conductivity and a thickness of 1.5 microns, an active region consisting of a single quantum-well active layer of in _0.24 Ga _0.7 4As thickness of 8 nm, shifted relative the center of waveguide layer 0.2 microns and provides electroluminescence maximum in the spectral range 1060-1080 nm. In order to obtain a peak output optical power of 5 W for the mode of the first Fabry-Perot resonator, a gain section width of 7 was chosen equal to 100 μm. From the condition of maintaining a high value of differential efficiency, the length of the first optical Fabry-Perot resonator 1 was chosen 1.5 mm, which also corresponded to the length of the amplification section 7. The length of the second optical Fabry-Perot resonator 5 was chosen 2.5 mm. This made it possible to form a control section 9 with a length of 0.7 mm. The peak output optical power of 5 W was achieved by pumping the amplification section 7 with a current of 5.5 A. The width of the control section 9 was chosen equal to the width of the amplification section 7, based on the technological simplicity of manufacture.

Первый оптический отражатель был сформирован интерференционным покрытием на естественно сколотой грани с коэффициентом отражения менее 5% в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. Второй оптический отражатель был сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющем пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1070 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Третий отражатель сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющим пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1075 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Второй отражатель выполнял функции элемента электрической изоляции секции усиления от секции управления с сопротивлением более 1 кОм. Амплитуда тока секции управления 9 выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации моды второго оптического Фабри-Перо резонатора и составила 400 мА.The first optical reflector was formed by an interference coating on a naturally cleaved face with a reflection coefficient of less than 5% in the spectral range of 1060-1080 nm. The second optical reflector was formed by a distributed Bragg mirror with a reflection peak of 99% with a width of 1 nm at a wavelength of 1070 nm and less than 2% for the remaining wavelengths falling into the gain spectrum (V.V. Zolotarev, A.Yu. Leshko, A. V. Lyutetskiy, D.N. Nikolaev, N.A. Pikhtin, A.A. Podoskin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, V.V. Shamakhov, I.N. Arsentyev, L.S. Vavilova, K.V. Bakhvalov, I.S. Tarasov, FTP, 47, 110 (2013)). The third reflector is formed by a distributed Bragg mirror having a reflection peak of 99% with a width of 1 nm at a wavelength of 1075 nm and less than 2% for the remaining wavelengths falling into the gain spectrum (V.V. Zolotarev, A.Yu. Leshko, A.V. Lyutetskiy, D.N. Nikolaev, N.A. Pikhtin, A.A. Podoskin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, V.V. Shamakhov, I.N. Arsentyev, L.S. Vavilova, K.V. Bakhvalov, I.S. Tarasov, FTP, 47, 110 (2013)). The second reflector served as the electrical isolation element of the amplification section from the control section with a resistance of more than 1 kΩ. The current amplitude of the control section 9 was chosen to be minimal to ensure threshold conditions for the generation of the mode of the second optical Fabry-Perot resonator and amounted to 400 mA.

Далее ко второму омическому контакту 12 секции усиления 7 подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 5,5 А и выходную оптическую мощность 5 Вт для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора, излучающей на длине волны 1070 нм. Для формирования управляемой последовательности импульсов к третьему омическому контакту 13 секции управления 9 подавался управляющий сигнал в виде тока инжекции амплитудой 400 мА. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда оптическая мощность 4 Вт излучалась модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны 1075 нм. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.3.Next, a direct voltage was applied to the second ohmic contact 12 of the amplification section 7, providing a current of 5.5 A and an output optical power of 5 W for the mode of the first optical Fabry-Perot resonator emitting at a wavelength of 1070 nm. To form a controlled sequence of pulses, a control signal in the form of an injection current with an amplitude of 400 mA was supplied to the third ohmic contact 13 of the control section 9. The duration of the applied control signal determines the time when the optical power of 4 W was emitted by the mode of the second optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of 1075 nm. A schematic diagram characterizing the receipt of a controlled sequence of laser pulses is shown in Fig.3.

Пример 2Example 2

Используя гетероструктуру, описанную в примере 1, изготавливали инжекционные лазеры, управляемые обратным напряжением. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности 5 Вт выбрали ширину секции усиления 7, равной 100 мкм. Из условия сохранения высокого значения дифференциальной эффективности и генерации моды второго оптического Фабри-Перо резонатора без управляющих сигналов длину первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 выбрали 2.3 мм, что также соответствовало длине секции усиления 7. Длину второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 выбрали 3 мм. Это обеспечило возможность сформировать секцию управления 9 длиной 0.5 мм. Значение пиковой выходной оптической мощности 5 Вт для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора достигалось при накачке секции усиления 7 током 6 А. Ширина секции управления 9 выбиралась равной ширине секции усиления 7, исходя из технологической простоты изготовления.Using the heterostructure described in Example 1, injection lasers controlled by reverse voltage were made. In order to obtain a peak output optical power of 5 W, a gain section width of 7 was chosen to be 100 μm. From the condition of maintaining a high value of differential efficiency and mode generation of the second optical Fabry-Perot resonator without control signals, the length of the first optical Fabry-Perot resonator 1 was chosen 2.3 mm, which also corresponded to the length of the amplification section 7. The length of the second optical Fabry-Perot resonator 5 was chosen 3 mm . This made it possible to form a control section 9 with a length of 0.5 mm. The peak output optical power of 5 W for the mode of the second optical Fabry-Perot resonator was achieved by pumping the amplification section 7 with a current of 6 A. The width of the control section 9 was chosen equal to the width of the amplification section 7, based on the technological simplicity of manufacture.

Первый оптический отражатель был сформирован интерференционным покрытием на естественно сколотой грани с коэффициентом отражения менее 5% в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. Второй оптический отражатель был сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющем пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1070 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Третий отражатель сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющим пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1075 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Второй отражатель выполнял функции элемента электрической изоляции секции усиления от секции управления с сопротивлением более 1 кОм. Амплитуда напряжения секции управления 9 выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации моды первого оптического Фабри-Перо резонатора и составила 15 В.The first optical reflector was formed by an interference coating on a naturally cleaved face with a reflection coefficient of less than 5% in the spectral range of 1060-1080 nm. The second optical reflector was formed by a distributed Bragg mirror with a reflection peak of 99% with a width of 1 nm at a wavelength of 1070 nm and less than 2% for the remaining wavelengths falling into the gain spectrum (V.V. Zolotarev, A.Yu. Leshko, A. V. Lyutetskiy, D.N. Nikolaev, N.A. Pikhtin, A.A. Podoskin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, V.V. Shamakhov, I.N. Arsentyev, L.S. Vavilova, K.V. Bakhvalov, I.S. Tarasov, FTP, 47, 110 (2013)). The third reflector is formed by a distributed Bragg mirror having a reflection peak of 99% with a width of 1 nm at a wavelength of 1075 nm and less than 2% for the remaining wavelengths falling into the gain spectrum (V.V. Zolotarev, A.Yu. Leshko, A.V. Lyutetskiy, D.N. Nikolaev, N.A. Pikhtin, A.A. Podoskin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, V.V. Shamakhov, I.N. Arsentyev, L.S. Vavilova, K.V. Bakhvalov, I.S. Tarasov, FTP, 47, 110 (2013)). The second reflector served as the electrical isolation element of the amplification section from the control section with a resistance of more than 1 kΩ. The voltage amplitude of the control section 9 was chosen to be minimal to ensure threshold conditions for the generation of the mode of the first optical Fabry-Perot resonator and amounted to 15 V.

Далее ко второму омическому контакту 12 секции усиления 7 подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 6 А и выходную оптическую мощность 5 Вт для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора, излучающей на длине волны 1075 нм. Для формирования управляемой последовательности импульсов к третьему омическому контакту 13 секции управления 9 подавался управляющий сигнал в виде обратного напряжения амплитудой 15 В. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда оптическая мощность 5.5 Вт излучалась модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны 1070 нм. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.4.Next, a direct voltage was applied to the second ohmic contact 12 of the amplification section 7, providing a current of 6 A and an output optical power of 5 W for the mode of the second optical Fabry-Perot resonator emitting at a wavelength of 1075 nm. To form a controlled sequence of pulses, a control signal in the form of a reverse voltage with an amplitude of 15 V was applied to the third ohmic contact 13 of the control section 9. The duration of the applied control signal determines the time when the 5.5 W optical power was radiated by the mode of the first optical Fabry-Perot resonator at a wavelength of 1070 nm. A schematic diagram characterizing the receipt of a controlled sequence of laser pulses is shown in Fig.4.

Claims

1. An injection laser including a heterostructure grown on a substrate, a waveguide layer enclosed between wide-gap p- and n-type emitters, which are simultaneously boundary layers, an active region consisting of at least one quantum-dimensional active layer, the first optical Fabry A pen cavity, bounded on one side by a first reflector, on the other hand by a first distributed Bragg mirror forming a second reflector, such that it separates the mode of the first optical Fabry-Perot heator of at least part of the second optical Fabry-Perot resonator, the second optical Fabry-Perot resonator, bounded on one side by a first reflector, on the other hand by a third reflector, a first ohmic contact deposited on the outside of the substrate, at least one second ohmic contact to the first Fabry-Perot optical resonator located on the p-type emitter side and forming a gain section with an injection region located in it and a gain region common to at least a portion of the first of the second optical Fabry-Perot resonator, at least one third ohmic contact to the second optical Fabry-Perot resonator located on the p-type emitter side outside the mode propagation region of the first optical Fabry-Perot resonator and forming a control section with region of absorption, at least one second ohmic contact is electrically isolated from at least one third ohmic contact, the first Fabry-Perot optical resonator is optically Yazan with a second Fabry-Perot optical resonator through at least part of the common waveguide layer, wherein the reflector is formed such spectra of optical losses in output for the first optical Fabry-Perot resonator and the second optical Fabry-Perot resonator that condition
λ _min1 ≠ λ _min2
where: λ _min1 is the wavelength corresponding to the minimum optical loss at the radiation output for the first optical Fabry-Perot resonator, nm;
λ _min2 is the wavelength corresponding to the minimum optical loss at the radiation output for the second optical Fabry-Perot resonator, nm.

2. The injection laser according to claim 1, characterized in that the first reflector is formed naturally chipped face with the applied interference coating or distributed Bragg mirror.

3. The injection laser according to claim 1, characterized in that the third reflector is formed naturally chipped face with the applied interference coating or distributed Bragg mirror.

4. The injection laser according to claim 1, characterized in that at least part of the space charge region can be formed by the waveguide layer of the control section.

5. The injection laser according to claim 1, characterized in that the distributed Bregov mirrors of the first, second and third reflectors can be formed in the volume of the heterostructure or on the surface of the heterostructure.

6. The injection laser according to claim 1, characterized in that the electrical isolation of the second ohmic contact from the third ohmic contact can be provided by the first distributed Bragg mirror.

7. The injection laser according to claim 1, characterized in that the electrical isolation of the second ohmic contact from the third ohmic contact can be provided by etching the meshes, implanting ions (oxygen, argon, nitrogen, hydrogen, etc.) or overgrowing with high-resistance material.