ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR AMPLIFIER OF OPTICAL EMISSION

Настоящее изобретение относится к квантовой электронике и квантовым усилителям, а именно к полупроводниковым усилителям оптического излучения лазеров.
Для широкого спектра практических приложений требуются источники лазерного излучения с высокой импульсной мощностью, узкой линией спектра генерации и одномодовой структурой излучения: беспроводная оптическая связь, нелинейная оптика (получение высших гармоник - переход в видимую область спектра, генерация терагерцового излучения), спектроскопия с временным разрешением, метрологические задачи (атомная спектроскопия, стандарты часов), радиолокационные системы на основе антенн с фазированными решетками, системы мониторинга окружающего пространства (сюда входят такие задачи, как: дальнометрия, измерение скоростей движущихся объектов и воздушных потоков, контроль химического состава).
Известно, что лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур способны демонстрировать излучательные характеристики с параметрами, необходимыми для практических приложений: высокой импульсной мощностью (I.S. Tarasov, N.A. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, D.A. Vinokurov, V.A. Kapitonov, M.A. Khomylev, A.Yu. Leshko, A.V. Lyutetskiy, A.L. Stankevich. High Power Lasers Based on Low Internal Loss Asymmetric Separate Confinement Quantum Well Heterostructures. (Review) Spectrochimica Acta Part A 66 (2007), issues 4-5, (April), 819-823), узкой линией спектра генерации (В.В. Васильева, Д.А. Винокуров, В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.Н. Петрунов, Н.А. Пихтин, М.Г. Растегаева, З.Н. Соколова, И.С. Шашкин, И.С. Тарасов, Дифракционные решетки с отражением в высоком порядке для мощных полупроводниковых лазеров, ФТП, 2012, том 46, выпуск 2) и одномодовой структурой излучения (А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Фетисова, Е.Г. Голикова*, Ю.А. Рябоштан*, И.С. Тарасов. Мощные одномодовые лазерные диоды на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур (lambda=1.3-1.6 мкм), ФТП, 2002, том 36, выпуск 11). При этом такие излучатели характеризуются малыми габаритами, высокой энергоэффективностью и низкой стоимостью. Однако проблема заключается в том, что невозможно одновременно достичь требуемых значений всех параметров в рамках одного монолитного полупроводникового лазера (Р.W. Juodawlkis, J.J. Plant, W. Loh, L.J. Missaggia, F.J. O'Donnell, D.C. Oakley, A. Napoleone, J. Klamkin, J.T. Gopinath, D.J. Ripin, S. Gee, P.J. Delfyett, J.P. Donnelly. High-Power, Low-Noise 1.5-µm Slab-Coupled Optical Waveguide (SCOW) Emitters: Physics, Devices, and Applications. J. of Selected topics in Quantum Electronics. 2011. Vol.17, No.6. p.1698). Принципиально, для полупроводникового лазера, возможно получение одномодового лазерного излучения с узкой линией спектра генерации, но низкой выходной оптической мощностью. Проблема увеличения выходной оптической мощности решается путем создания лазерных систем на основе полупроводниковых усилителей оптического излучения. Общий принцип функционирования такой системы заключается в том, что маломощное излучение задающего лазера-генератора, характеризуемое узким спектром и одномодовой структурой, вводится в полупроводниковых усилителях оптического излучения. В итоге, на выходе усилителя формируется излучение большей мощности и с теми же спектральными и модовыми параметрами.
Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2002154393), который включает волновод для фундаментальной моды, который обеспечивает распространение света со структурой фундаментальной моды, первый многомодовый волновод, который имеет большую ширину, чем волновод для фундаментальной моды, и оптически связан с волноводом для фундаментальной моды, и обеспечивает распространение модовых структур, второй многомодовый волновод, который имеет большую ширину, чем первый многомодовый волновод, и оптически связан с первым многомодовым волноводом и обеспечивает распространение модовых структур.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.
Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2005111079). Устройство известного полупроводникового усилителя оптического излучения включает сигнальный волновод для ведения оптического сигнала вдоль сигнального пути, и далее состоящий из одного или нескольких лазерных резонаторов, имеющих область усиления, лежащую вне сигнального волновода, область усиления располагается достаточно близко к сигнальному волноводу, так что, когда область усиления накачивается током, оптический сигнал, проходящий дальше по сигнальному волноводу, усиливается из-за крайне слабой связи с резонатором лазера. Когда область усиления достаточно накачана, чтобы обеспечить лазерную генерацию в лазерном резонаторе, то достигается насыщение усиления оптического сигнала. Дополнительные особенности, связанные с сегментированным лазерным резонатором, - это раздельная накачка области лазерного резонатора, области решетки, профилирование тока, что улучшает шумовые характеристики прибора, подавление эффекта взаимного влияния при инжекции, возможность манипуляции пиковым усилением, интеграция с фотодетектором, интеграция с модулятором.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.
Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2007258495), который состоит из активного волновода, активный волновод, включающий первый волновод, который поддерживает множество мод, включая фундаментальную моду, и второй волновод, который шире, чем первый волновод, и поддерживает многомодовую структуру, в которой фундаментальная мода обеспечивается генерацией света из активного волновода.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.
Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. патент US 2012243074). Известный полупроводниковый усилитель оптического излучения включает входную поверхность волноводной секции оптического усилителя, которая имеет первый покрывающий слой. Выходная поверхность волноводной секции оптического усилителя, которая связана с входной поверхностью волноводной секции оптического усилителя и имеющая второй активный покрывающий слой, который шире, чем первый покрывающий слой. Ширина первого активного покрывающего слоя и относительная разность показателя преломления между первым активным покрывающим слоем и подстроечным слоем секции эмиттера в ширину в направлении второго активного покрывающего слоя установлены так, что плотность носителей и фактор оптического ограничения в первом активном покрывающем слое выше, чем плотность носителей и фактор оптического ограничения во втором активном покрывающем слое.
Полупроводниковый усилитель оптического излучения состоит из секции 1 - входная сторона и входной волновод усилителя, секции 2 - выходная сторона и выходной волновод усилителя, связанный с входным волноводом усилителя, входной световой сигнал усилителя, который поступает из входной секции 1 и выходит как выходной оптический сигнал из выходной стороны секции 2. Электрические контакты к верхним слоям сформированы только к области инжекции, остальная часть поверхности верхнего слоя секции 1 покрыта полиамидом, а поверхность секции 2, не покрытая контактом, закрыта защитным диэлектриком.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.
Известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, О. 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, интегрированный малосигнальный генератор лазерных импульсов длиной 1 мм, представляющий полосковую конструкцию, ограниченную в продольном направлении протравленными мезаканавками, и оптический полупроводниковый усилитель длиной 2 мм, характеризующийся расширяющейся в плоскости слоев гетероструктуры под углом 40° областью инжекции. Интегрированный малосигнальный генератор лазерных импульсов и оптический полупроводниковый усилитель были электрически изолированы друг от друга. Была получена пиковая мощность 530 мВт при генерации случайной последовательности импульсов. 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 интегрированном малосигнальном генераторе лазерных импульсов, усиливался, распространяясь в оптическом полупроводниковом усилителе.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является отсутствие дополнительных технических решений, обеспечивающих увеличение внутренних оптических потерь в пассивных областях, в результате рабочее значение коэффициента усиления существенно ниже из-за эффекта насыщения за порогом генерации замкнутой моды.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является полупроводниковый усилитель оптического излучения (см. X. Wang, G. Erbert, H. Wenzel, В. Eppich, P. Crump, A. Ginolas, J. Fricke, F. Bugge, M. Spreemann and G. Trankle. High-power, spectrally stabilized, near-diffraction-limited 970 nm laser light source based on truncated-tapered semiconductor optical amplifiers with low confinement factors, Semicond. Sci. Technol. 27 (2012) 015010). Полупроводниковый усилитель оптического излучения - прототип - содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую расширенный волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя. Полупроводниковый усилитель оптического излучения также содержит грани, ограничивающие кристалл усилителя в плоскости поперек слоям гетероструктуры. Одна из граней является оптическим входом, а противоположная - оптическим выходом. На поверхности граней оптического входа и оптического выхода нанесены просветляющие покрытия. Первый омический контакт расположен со стороны подложки, а второй - со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирует область усиления и область инжекции. Области кристалла вне области усиления формируют области поглощения. В областях поглощения потери сформированы за счет имплантации ионов. Известный полупроводниковый усилитель оптического излучения обеспечивает сохранение одномодовой структуры излучения в параллельной плоскости до выходной мощности порядка 4 Вт.
Недостатком известного полупроводникового усилителя оптического излучения является сложность технологии изготовления, связанная с необходимостью использования технологии имплантации ионов водорода в пассивные области для подавления замкнутой моды.
Задачей настоящего изобретения является разработка такой конструкции полупроводникового усилителя оптического излучения, которая бы обеспечивала упрощение технологии изготовления за счет удаления дорогостоящих технологических процессов, при этом сохраняла бы функции эффективного оптического усилителя, обеспечивая увеличение оптической мощности входного лазерного импульса, при сохранении его спектральных и модальных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что конструкция предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения включает гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости и p-типа проводимости, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя, заключенного между ними, расположенной в нем активной области, включающей по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры, одна из которых является оптическим входом, а противоположная - оптическим выходом, нанесенные на поверхности грани оптического входа и грани оптического выхода просветляющие покрытия, первый омический контакт на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт, расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости и формирующий область усиления и область инжекции, область поглощения, расположенную вне области усиления, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя, общего для областей усиления и поглощения, по меньшей мере один третий омический контакт к области поглощения, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости, геометрические размеры которого удовлетворяют неравенству
макс
погл
макс
ус
q·α·S≥k·G·S
k=1.1
q≥0.5
макс
макс
погл
ус
-1
-1
2
2
α - максимальное значение оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка (см), G - материальное усиление в активной области, достигаемое при заданном рабочем токе через второй омический контакт (см), S - площадь третьего омического контакта (см), S - площадь второго омического контакта (см), k - коэффициент учитывает возможные неоднородности и флуктуации в области усиления (отн.ед.), q - коэффициент связи максимального значения оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка с минимальными оптическими потерями в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления (отн.ед.), при этом каждый второй омический контакт электрически изолирован от каждого третьего омического контакта.
Электрическая изоляция второго омического контакта от третьего омического контакта обеспечивается вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера p-типа проводимости.
Улучшение таких характеристик, как упрощение технологии изготовления предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения, обеспечивается за счет включения третьего омического контакта к области поглощения, электрически изолированной от области усиления, обеспечивающего такие оптические потери, что пороговые условия генерации замкнутой моды не выполняются. Использование области усиления с подавленными обратными связями для паразитных модовых структур обеспечивает увеличение оптической мощности входного лазерного импульса, при сохранении его спектральных и модальных характеристик.
Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан известный полупроводниковый усилитель оптического излучения;
на фиг.2 показан заявляемый полупроводниковый усилитель оптического излучения;
мат
сп
погл
погл
погл
на фиг.3 приведены качественные зависимости усиления в активной области (G), от длины волны (λ) при токе I1 (кривая 1) и токе I2>I1 (кривая 2), пропускаемом через область усиления; кривая 3 - зависимость интенсивности потока фотонов (I), получившихся в результате спонтанной рекомбинации, от длины волны (λ) для тока накачки в области усиления I2; кривая 4 - зависимость оптических потерь в области поглощения (α) от длины волны (λ) при сохранении фотогенерированных носителей заряда при накачке области усиления током I2; кривая 5 - зависимость оптических потерь в области поглощения (α) от длины волны (λ) при экстракции фотогенерированных носителей заряда и отсутствии эффекта Штарка; кривая 6 - зависимость оптических потерь в области поглощения (α) от длины волны (λ) при экстракции фотогенерированных носителей заряда и наличии эффекта Штарка.
В общем случае конструкция известного полупроводникового усилителя оптического излучения (фиг.1) включает гетероструктуру, выращенную на подложке n-типа проводимости 1, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости 2 и p-типа проводимости 3, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя 4, заключенного между ними, расположенной в нем активной области 5, включающей, по меньшей мере, один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры 6, 7, 8, 9, одна из которых является оптическим входом 6, а противоположная 8 - оптическим выходом, нанесенные на грань оптического входа и грань оптического выхода просветляющие покрытия 10, первый омический контакт 11 на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт 12 (заштрихован точками), расположенный со стороны эмиттера р-типа проводимости 3 и формирующий область усиления 13 (заштрихована перекрестными линиями) и область инжекции 14 (заштрихована вертикальными линиями), область поглощения 15 (заштрихована горизонтальными линиями), расположенную вне области усиления 13, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны, по меньшей мере, через часть волноводного слоя 4, общего для областей усиления 13 и поглощения 15. Элемент 16, обеспечивающий электрическую изоляцию омического контакта 12 от области поглощения 15, сформирован имплантацией ионов или вытравленной мезаканавой.
Конструкция предлагаемого полупроводникового усилителя оптического излучения (фиг.2) включает гетероструктуру, выраженную на подложке n-типа проводимости 1, состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости 2 и p-типа проводимости 3, являющихся одновременно слоями оптического ограничения, волноводного слоя 4, заключенного между ними, расположенной в нем активной области 5, включающей по меньшей мере один квантово-размерный активный слой, грани, ограничивающие кристалл в направлении поперек слоям гетероструктуры 6, 7, 8, 9, одна из которых является оптическим входом 6, а противоположная 8 - оптическим выходом, нанесенные на поверхности грани оптического входа и грани оптического выхода просветляющие покрытия 10, первый омический контакт 11 на внешней стороне подложки и по меньшей мере один второй омический контакт 12 (заштрихован точками), расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости 3 и формирующий область усиления 13 (заштрихована перекрестными линиями) и область инжекции 14 (заштрихована вертикальными линиями), область поглощения 15 (заштрихована горизонтальными линиями), расположенную вне области усиления 13, при этом области усиления и области поглощения оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя 4, общего для областей усиления 13 и поглощения 15, по меньшей мере один третий омический контакт 17 к области поглощения 15, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости 3, при этом каждый второй омический контакт 12 электрически изолирован от каждого третьего омического контакта 17. Элемент 16, обеспечивающий электрическую изоляцию второго омического контакта 12 от третьего омического контакта 17, сформирован вытравленной мезаканавой или стравливанием части эмиттера p-типа проводимости 3.
кр_ус
кр_мин
кр_макс
макс
мин
Физический принцип работы полупроводникового усилителя оптического излучения заключается в том, что прямой ток, величина которого больше тока прозрачности, протекая через область усиления, создает в активной области инверсную концентрацию электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, формирующую эффект усиления за счет индуцированных потоком фотонов межзонных оптических переходов. Чем больше ток, тем выше инверсная концентрация, тем большее значение усиления можно получить (фиг.3, кривая 1, 2). Максимальное значение усиления на переходах между выбранными энергетическими состояниями достигается при полном заполнении носителями заряда всех энергетических состояний данных уровней. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне имеют квазинепрерывное распределение по энергии. В этом случае энергетический диапазон, для которого достигается эффект усиления, может быть достаточно широким (фиг.3, кривая 1, 2) (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Спектры электролюминесценции и поглощения полупроводниковых лазеров с низкими оптическими потерями на основе квантово-размерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs, ФТП, т.45, вып.5, с.682 (2011)). Т.к. для всех излучающих приборов используемые материалы активной области являются прямозонными, то во всем энергетическом интервале, заполненном носителями заряда, происходит межзонная спонтанная излучательная рекомбинация, создающая поток спонтанных фотонов (фиг.3, кривая 3), в том числе распространяющихся вдоль области усиления. В этом случае любая паразитная обратная связь, возникшая в кристалле полупроводникового усилителя для спонтанных фотонов, генерируемых активной средой области усиления, приводит к уменьшению эффективности прибора, падению коэффициента усиления. Также не подавленная обратная связь ведет к выполнению пороговых условий генерации для паразитных модовых структур, в том числе замкнутых мод, захватывающих области поглощения (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Анализ пороговых условий генерации замкнутой моды в полупроводниковых лазерах Фабри-Перо, ФТП, т.45, вып.5, с.672 (2011); С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов. Анализ условий срыва генерации мод резонатора Фабри-Перо в полупроводниковых лазерах с полосковым контактом, ФТП, т.45, вып.10, с.1431 (2011)). Т.к. за порогом генерации любой модовой структуры усиление в активной области фиксируется, то, в результате выполнения пороговых условий генерации паразитных модовых структур, дальнейшее повышение коэффициента усиления невозможно. Обратная связь, формируемая гранями оптического входа и оптического выхода, подавляется за счет наносимых на их поверхности просветляющих покрытий. Обратная связь для замкнутых модовых структур подавляется за счет внесения внутренних модальных оптических потерь в область поглощения, больших, чем достигаемое модальное усиление. Естественным источником потерь для области поглощения является межзонное поглощение материала активной области. Однако для пассивного варианта области поглощения, когда есть только межзонное поглощение активной области и не используются дополнительные каналы удаления фотогенерированных носителей заряда, поток спонтанных фотонов из области усиления может снизить межзонное поглощение до состояния просветления (фиг.3, кривая 4). Это связано с тем, что, для прямозонных материалов, концентрация накопленных фотогенерированных носителей в активной области увеличивается с ростом потока поглощаемого излучения (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов. Анализ условий срыва генерации мод резонатора Фабри-Перо в полупроводниковых лазерах с полосковым контактом, ФТП, т.45, вып.10, с.1431 (2011); С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, Москва, Мир, 1987). Оптические потери в области поглощения также могут быть сформированы за счет облучения ионами, формирующими центры безызлучательной рекомбинации в объеме полупроводника. Однако в этом случае необходимо использовать дорогостоящие технологии, что увеличивает стоимость усилителя. Предлагаемый в настоящем изобретении способ повышения внутренних оптических потерь основан на том, что третий омический контакт, сформированный к области поглощения, позволит эффективно увеличивать величину оптических потерь за счет двух механизмов. Первый механизм связан с подавлением эффекта накопления фотогенерированных носителей заряда в области поглощения за счет их экстракции при приложении обратного напряжения между по крайней мере одним третьим омическим контактом области поглощения и первым омическим контактом (фиг.3, кривая 5). Второй механизм связан с использованием квантово-размерного эффекта Штарка, в результате которого электрическое поле смещает спектр поглощения активной области в длинноволновую область (фиг.3, кривая 6). В нашем случае это поле области объемного заряда, в которое попадает активная область. А т.к. для области усиления характерен эффект смещения спектра в длинноволновую область за счет высоких концентраций носителей (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов. Спектры электролюминесценции и поглощения полупроводниковых лазеров с низкими оптическими потерями на основе квантово-размерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs, ФТП, т.45, вып.5, с.682 (2011)) до λ, то перестройкой спектра оптических потерь области поглощения с λ, длины волны, характеризующей край поглощения без учета накопленных фотогенерированных носителей и эффекта Штарка, до λ, длины волны, характеризующей край поглощения при эффекте Штарка, обеспечивает полное перекрытие спектров спонтанного излучения области усиления и спектра оптических потерь области поглощения. Принимая во внимание соотношение, связывающее максимальное значение оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка (α) (фиг.3, кривая 5) с минимальными оптическими потерями при экстракции фотогенерированых носителей заряда и эффекте Штарка, в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления (α) (фиг.3, кривая 6) в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления (фиг.3, кривая 1, 3, 6)
мин
макс
<mrow><mi>q</mi><mo>≥</mo><mn>0.5</mn><mtext>                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
α≥q·α, при
q - коэффициент связи максимального значения оптических потерь в области поглощения при отсутствии фотогенерированных носителей заряда и эффекта Штарка с минимальными оптическими потерями в диапазоне спектра спонтанного излучения области усиления в условиях полного перекрытия спектра потерь области поглощения со спектром спонтанного излучения области усиления. То для подавления генерации замкнутых модовых структур характеристики области поглощения должны удовлетворять следующему неравенству
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>></mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mtext>                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
макс
погл
ус
-1
где G - максимальное значение материального усиления в активной области, достигаемое при заданном рабочем токе через второй омический контакт (см), Г - фактор оптического ограничения замкнутой моды в области поглощения (отн.ед.). Г - фактор оптического ограничения замкнутой моды в области усиления (отн.ед.), коэффициент k=1.1, и учитывает возможные неоднородности и флуктуации в области усиления. Принимая, что поглощение и усиление происходит в активной области, то факторы оптического ограничения удовлетворяют выражениям
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>А</mi><mi>О</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>А</mi><mi>О</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
АО
погл
yc
2
2
где Г - поперечный фактор оптического ограничения замкнутой моды в активной области, определяемый свойствами волноводного слоя и слоев оптического ограничения (отн.ед.), S - площадь третьего омического контакта (см), S - площадь второго омического контакта (см). Тогда неравенство (2) можно переписать как
<mrow><mi>q</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mtext>                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
погл
S=W·L
где W - ширина третьего омического контакта (см), L - длина третьего омического контакта (см). Неравенство (5) определяет геометрические размеры области поглощения, обеспечивающие подавление генерации замкнутых модовых структур при использовании способа повышения оптических потерь, основанного на экстракции фотогенерированных носителей и эффекта Штарка за счет сформированного третьего омического контакта.
Настоящий полупроводниковый усилитель оптического излучения работает следующим образом. К первому и второму омическим контактам прикладываются напряжения такие, что разность потенциалов соответствует прямому смещению p-n-перехода в области усиления. Значения напряжений выбираются исходя из необходимого тока накачки, который обеспечивает требуемое усиление. Для подавления генерации замкнутых мод к третьему омическому контакту прикладывается такое напряжение, что разность потенциалов между третьим и первым омическими контактами обеспечивает обратное смещение p-n-перехода в области поглощения. Величина приложенного напряжения к третьему омическому контакту должна обеспечивать полное перекрытие спектров спонтанного излучения области усиления и оптических потерь области поглощения, а также выполнение равенства (1). Включение и выключение прикладываемых напряжений ко всем омическим контактам должно происходить одновременно. После включения всех напряжений в область усиления через оптический вход вводится внешний сигнал для усиления. После выключения внешнего сигнала для усиления напряжения могут быть выключены или оставаться во включенном состоянии до следующего внешнего сигнала для усиления.
Пример
0.1
0.9
0.25
0.75
0.13
0.87
0.24
0.74
0.25
0.75
макс
кр_ус
кр_мин
мин
-1
-1
-1
Для реализации настоящего полупроводникового усилителя оптического излучения была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой AlGaAs толщиной 2.1 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером AlGaAs n-типа проводимости толщиной 2,5 мкм, активную область, состоящую из двух квантово-размерных активных слоев InGaAs толщиной 8 нм, разделенных слоем GaAs толщиной 12 нм, расположенную на расстоянии 0.6 мкм от широкозонного эмиттера AlGaAs p-типа проводимости. Ширина оптического входа составила 200 мкм и соответствовала ширине луча внешнего сигнала. Ширина оптического выхода составила также 200 мкм, длина области усиления составила 5 мм. Для получения требуемого усиления к первому и второму омическим контактам прикладываем напряжения, обеспечивающие протекание прямого тока через область усиления, равного 10 А. В этом случае максимальное усиление составляет 2000 см. Для области поглощения максимальные оптические потери составляют α=10000 см. Учитывая, что длинноволновая граница спектра спонтанного излучения λ=1080 нм, а длина волны края оптических потерь в области поглощения λ=1060 мн, то для выполнения условия (1) необходимо приложить напряжение к третьему омическому контакту, дающее разность потенциалов -10 В с первым омическим контактом, тогда α=7000 см, q=0.7. В соответствии с неравенством (5) площадь секции поглощения должна удовлетворять следующему выражению
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mn>3.1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup><msup><mrow><mtext> см</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mtext>                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При условии, что протяженность первого омического контакта совпадает с длиной области усиления (5 мм), получаем, что ширина третьего омического контакта должна составлять 63 мкм. Далее к полупроводниковому усилителю оптического излучения с выбранными размерами области усиления и области поглощения одновременно прикладываются заявленные потенциалы, обеспечивающие протекание прямого тока в области усиления 10 А и подавляющие генерацию замкнутых мод. После чего в оптический вход вводится одномодовый оптический лазерный импульс длительностью 100 нс, амплитудой 500 мВт, длиной волны 1065 нм. На оптическом выходе получается одномодовый лазерный импульс с теми же спектральными характеристиками и мощностью 6 Вт. После завершения входного лазерного импульса рабочие напряжения выключаются.