ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
INJECTION LASER

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к полупроводниковым инжекционным лазерам, и может найти применение в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров, в оборудовании для обработки материалов, в метрологии, полиграфии, медицине, системах оптической локации, робототехнике и других отраслях.
Подавляющее большинство полупроводниковых инжекционных лазеров выполняют в виде торцевых излучателей с полосковым контактом. Важными задачами разработки таких излучателей является максимальное повышение мощности излучения и улучшение качества лазерного пучка. Типичный торцевой полупроводниковый инжекционный лазер состоит из квантово размерной активной области, находящейся в нелегированном или слаболегированном волноводе. Волновод с двух сторон заключен между ограничительными слоями, имеющими меньший показатель преломления, чем волноводный слой. Ограничительные слои обычно выполняют роль эмиттеров, для чего один ограничительный слой легируют примесью n-типа, другой - примесью p-типа. Параметры волновода определяют модовый состав лазерного излучения. В общем случае может существовать несколько поперечных оптических мод, которые различают порядком m. Основная или фундаментальная мода имеет нулевой порядок (m=0). Излучательная рекомбинация инжектированных электронов и дырок в активной области приводит к возникновению усиления света. При достижении величины тока накачки выше порогового значения начинается лазерная генерация. Пороговое условие лазерной генерации:
где g - материальное усиление в активной области,
- фактор оптического ограничения (гамма-фактор) для активной области оптической моды m-порядка,
int,m
out,m
α, α - внутренние и внешние оптические потери для оптической моды m-порядка, соответственно.
В общем случае количество и профиль мод оптического волновода зависят от толщины волновода и показателей преломления волновода и ограничительных слоев. При увеличении толщины волновода при достижении определенной критической величины, зависящей от показателей преломления волноводного и ограничительных слоев, волновод может поддерживать моды высокого порядка. Таким образом, расширение лазерного волновода может приводить к лазерной генерации на модах высокого порядка и к многомодовой генерации. Это ведет к расширению диаграммы направленности излучения в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, и к возникновению в ней дополнительных максимумов, что ухудшает свойства лазера с точки зрения его практического применения. Расширение волновода при условии сохранения одномодового характера излучения имеет положительные эффекты: фундаментальная мода в более широком волноводе имеет меньший угол расходимости в диаграмме направленности; в более широком волноводе уменьшена плотность оптической мощности на лазерных зеркалах, что увеличивает их деградационную стойкость; уменьшаются оптические потери на свободных носителях в высоколегированных эмиттерах, поскольку в расширенном волноводе фундаментальная мода сильнее локализована в волноводном слаболегированном слое. Эти преимущества расширенного волновода особенно актуальны для полупроводниковых инжекционных лазеров повышенной мощности.
Известны различные подходы для увеличения размера излучающей области инжекционных лазеров и, соответственно, уменьшения расходимости лазерного пучка.
Так, известен инжекционный лазер (см. заявка US 20100150196, МПК H01S 5/00, опубликована 17.06.2010), состоящий последовательно из первого ограничительного слоя для ограничения оптической моды, первого волноводного слоя для распространения оптической моды, разделительного слоя для разделения оптической моды, второго волноводного слоя для распространения оптической моды, активного слоя для генерации оптической моды, третьего волноводного слоя для распространения оптической моды и второго ограничительного слоя для ограничения оптической моды. При этом первый, второй и третий волноводные слои имеют одинаковый показатель преломления, а первый ограничительный слой, разделительный слой, второй ограничительный слой имеют показатели преломления, меньшие показателей преломления первого, второго и третьего волноводных слоев. В известном инжекционном лазере три волноводных слоя являются составными частями одного волновода, который поддерживает только одну оптическую моду. Размер моды увеличен за счет ее проникновения в ограничительные слои. Увеличенный размер моды позволил сузить расходимость лазерного пучка до величин меньше 24 градусов (по уровню 0,5). Использование разделительного слоя формирует плечо в профиле распределения моды, пространственно совпадающее с активной областью, за счет чего увеличивается фактор оптического ограничения.
Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является существенное проникновение оптической моды в легированные ограничительные слои, что увеличивает оптические потери. Дальнейшее уменьшение расходимости лазерного пучка возможно только при увеличении толщин волноводных слоев и снижении скачка показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями, что еще больше увеличивает проникновение моды в ограничительные слои.
18
-3
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
18
-3
19
-3
0,5
0,5
0,6
0,4
0,5
0,5
0,5
0,5
0,6
0,4
0,5
0,5
0,42
0,58
0,6
0,4
0,5
0,5
0,50
0,5
0,6
0,4
0,5
0,5
0.5
0.5
Известен инжекционный лазер (см. патент US 5923689, МПК H01S 3/19, опубликован 13.07.1999), состоящий послойно из GaAs подложки n-типа, GaAs буферного слоя n-типа толщиной 0,4 мкм с концентрацией легирующей примеси 2·10 см, AlInP ограничительного слоя n-типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 4·10см, (AlGa)InP пассивного волновода n-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10 см, AlInP барьерного слоя для пассивного волновода n-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10 см, (AlGa)InP оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, GaInP напряженной квантовой ямы собственного типа толщиной 80 ангстрем, (AlGa)InP оптического ограничительного слоя собственного типа толщиной 900 ангстрем, AlInР барьерного слоя для пассивного волновода p-типа толщиной 7000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 5·10 см, (AlGa)InP пассивного волновода p-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 5·10 см, AlInР ограничительного слоя p-типа толщиной 0,5 мкм с концентрацией легирующей примеси 5·10 см, GaInP слоя p-типа толщиной 100 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 1·10 см, GaAs проводящего слоя p-типа толщиной 2000 ангстрем с концентрацией легирующей примеси 4·10 см. Волновод известного инжекционного лазера поддерживает генерацию нулевой моды, которая распространяется по всем трем волноводным слоям.
В известном лазере удалось уменьшить расходимость лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до 18 градусов (по уровню 0,5). Однако в нем значительная часть оптической моды распространяется по легированным пассивным волноводным слоям, что увеличивает оптические потери. В пространственном распределении моды присутствуют дополнительные максимумы, поэтому профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля. Соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.
Известен инжекционный лазер (см. заявка US 20130287057, МПК H01S 5/20, опубликована 31.10.2013), состоящий из первого ограничительного слоя n-типа проводимости, первого волноводного слоя n-типа проводимости, прилегающего к первому ограничительному слою, активного слоя, способного генерировать излучение, примыкающего к первому волноводному слою, второго волноводного слоя p-типа проводимости, прилегающего к активному слою, второго ограничительного слоя p-типа проводимости, прилегающего ко второму волноводному слою. При этом сумма толщин первого волноводного слоя, активного слоя и второго волноводного слоя больше 1 мкм, а толщина второго волноводного слоя меньше 150 нм. Кроме того, активный слой, первый ограничительный слой, второй ограничительный слой, первый волноводный слой и второй волноводный слой таковы, что максимум интенсивности фундаментальной моды находится в области вне активного слоя, а разница показателей преломления первого волноводного слоя и первого ограничительного слоя лежит в диапазоне между 0,04 и 0,01. Известный инжекционный лазер имеет асимметричный волновод. Основная часть лазерной моды распространяется по первому волноводному слою. Малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем обеспечивает утекание мод высокого порядка из волновода и уменьшение их фактора оптического ограничения в активной области, за счет чего моды высокого порядка не участвуют в лазерной генерации. Расширение волновода позволяет сузить диаграмму направленности лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, до величин менее 50 градусов (ширина пучка, содержащая 95% оптической мощности).
В то же время в известном лазере малый контраст показателя преломления между первым ограничительным слоем и первым волноводным слоем делает конструкцию чувствительной к изменениям показателей преломления слоев в процессе работы лазера; значительная часть нулевой моды распространяется по легированным первому волноводному слою и первому ограничительному слою, что приводит к высоким оптическим потерям; конструкция не применима в случае большого числа активных слоев, когда показатель преломления активной области существенно влияет на волноводные свойства.
Известен инжекционный лазер (см. заявка US 20040208215, МПК H01S 3/08, опубликована 21.10.2004), содержащий n-легированную область, по меньшей мере, часть которого содержит фотонный кристалл, включая слоистый, состоящий, по меньшей мере, из одного слоя. Каждый слой легирован примесью n-типа, слоистая структура имеет пространственную периодическую модуляцию показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению распространения света; дефект, граничащий с фотонным кристаллом. Этот дефект содержит слой, генерирующий свет при протекании инжектирующего тока, когда приложено прямое смещение, первый тонкий туннельный барьер для электронов, расположенный с n-стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные n-слои и нелегированные слои, второй туннельный барьер для дырок, расположенный с p-стороны слоя, генерирующего свет, отличающийся тем, что сформирован из материала, содержащего слаболегированные p-слои и нелегированные слои, два слоя, между которыми находится первый туннельный барьер, два слоя, между которыми находится второй туннельный барьер. Инжекционный лазер также содержит n-легированную слоистую структуру, содержащую, по меньшей мере, один слой, каждый слой легирован примесью p-типа. Эта слоистая структура расположена около дефекта на стороне противоположной от n-легированной области. Эта p-легированная слоистая структура имеет показатель преломления, препятствующий расширению фундаментальной моды в эту структуру и в p-контакт.
В известном инжекционном лазере фундаментальная мода локализована на дефекте, а остальные моды растянуты по фотонному кристаллу, при этом толщина фотонного кристалла и дефект обеспечивают малую расходимость светового пучка. При использовании фотонного кристалла при толщине волновода 13,16 мкм можно уменьшить расходимость лазерного пучка до 4 градусов (по уровню 0,5). Конструкция может быть реализована для полупроводниковых лазеров, излучающих в разных спектральных диапазонах. Недостатком известного инжекционного лазера является содержание большое количество слоев в широком волноводе на основе фотонного кристалла, толщина и состав которых должны прецизионно контролироваться, что делает конструкцию технологически сложной для воспроизведения; кроме того, для уменьшения последовательного электрического сопротивления волновод легируют, что приводит к значительным оптическим потерям; профиль оптической моды в волноводе отличается от гауссова профиля, соответственно, пространственное распределение лазерного пучка также не описывается функцией Гаусса, что снижает его качество и затрудняет фокусировку.
Известен инжекционный лазер (см. A. Pietrzak, et al., High-powerlaserdiodesemittinglightabove 1100 nmwithasmallverticaldivergenceangleof 13°. - OpticsLetters, Vol. 33, No. 19, p. 2188, 2008), который включает первый и второй ограничительные слои, между которыми находится волновод толщиной вплоть до 5 мкм. В середине волноводного слоя находится активная область на основе квантовых ям. Толщина ограничительных слоев составляет величину 350 нм. Толщина волноводного слоя и контраст показателя преломления между волноводным и ограничительными слоями допускает существование в волноводе мод высокого порядка. За счет тонких ограничительных слоев моды высокого порядка эффективно проникают в прилежащие к ним слои. Такими прилежащими слоями являются контактный слой и подложка. Оба слоя имеют высокое легирование, поэтому оптическая мода, распространяющаяся по этим слоям, имеет значительное оптическое поглощение, и для нее не выполняется пороговое условие генерации. Волноводы такого типа за счет малых внутренних оптических потерь для фундаментальной моды позволяют изготавливать лазеры с длиной резонатора вплоть до 8 мм и получать оптические мощности до нескольких Ватт. Профиль оптической моды хорошо описывается функцией Гаусса, что положительным образом сказывается на качестве лазерного пучка. Конструкция позволяет получать лазерный пучок с расходимостью менее 15 градусов (по уровню 0,5) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры лазера.
Недостатком конструкции известного инжекционного лазера является чувствительность к выбору толщин и составов волноводных и ограничительных слоев. В процессе работы известного лазера за счет разогрева и токовой инжекции изменяются показатели преломления волноводных и ограничительных слоев, что в отдельных случаях приводит к генерации мод высокого порядка, в том числе мод, отраженных от нижней поверхности подложки, и мод, переотраженных в верхнем контактном слое.
Известен инжекционный лазер (см. патент US 8355419, МПК H01S 5/00, опубликован 15.01.2013), включающий вертикальный волновод, содержащий первую полость (первый волновод), первый отражатель, расположенный с одной стороны от первой полости, второй отражатель, расположенный со второй стороны первой полости, напротив первого отражателя, по меньшей мере, одну вторую полость (второй волновод), расположенную со стороны второго отражателя напротив первого отражателя, по меньшей мере, один третий отражатель, расположенный на стороне второй полости напротив первого отражателя; светогенерирующий элемент, расположенный в пределах первой полости и способный производить оптическое усиление инжектированием тока при приложении прямого смещения; подложку, инжектор и продольный резонатор. Типичная толщина широкого волновода составляет 10-30 мкм. В качестве второго волновода может выступать подложка инжекционного лазера. Оптические моды двух волноводов взаимодействуют и образуют комбинированную моду, которая распространяется одновременно по двум волноводам. Диаграмма направленности этой моды в вертикальном направлении представляет собой два узких пика, направленных под углом к оси резонатора. Для подавления излучения между узкими пиками в диаграмме направленности в конструкцию известного лазера вводят элементы, препятствующие выводу излучения из узкого волновода через торцевые грани.
В известном инжекционном лазере лазерная генерация происходит на моде высокого порядка, за счет чего диаграмма направленности излучения состоит из двух пучков, каждый из которых направлен под углом к зеркалу, что затрудняет фокусировку излучения; использование легированного широкого пассивного волновода или легированной подложки приводит к росту оптических потерь, что препятствует использованию известного инжекционного лазера для получения высоких оптических мощностей.
Известен инжекционный лазер, наиболее близкий по технической сущности и совпадающий с настоящим решением по совокупности существенных признаков (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 квантоворазмерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению:
где  и  - факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3 …), соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, омические контакты и оптический резонатор. Активная область размещена в дополнительном слое, показатель преломления которого больше показателя преломления волновода, а толщина и расположение в волноводе определяются из условия выполнения упомянутого соотношения. Расстояния от активной области до p- и n-эмиттеров не превышают длин диффузии дырок и электронов в волноводе соответственно.
В известном лазере-прототипе лазерная генерация на модах высокого порядка подавлена за счет уменьшения для этих мод фактора оптического ограничения. Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Однако в случае большого числа активных слоев фактор оптического ограничения слабо зависит от асимметрии положения активной области. Известный лазер-прототип имеет увеличенный порог лазерной генерации для фундаментальной моды, для него существуют ограничения по числу подавляемых мод, так как эффективно подавляется только мода второго порядка.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка инжекционного лазера, имеющего уменьшенную расходимость лазерного пучка в направлении, перпендикулярном слоям структуры, и увеличенную толщину волновода при сохранении лазерной генерации на фундаментальной поперечной моде.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую, по меньшей мере, из одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения  для активной области одной собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода удовлетворяет соотношению:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
1
d1
s
Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
s
cl
P1
n=max (n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
cl
n - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоев;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
По второму варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
1
d1
2
d2
s
Толщина P, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P2
n=max(n; n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
По третьему варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода и фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
1
d1
2
d2
s
Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
cl
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
cl
n - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу одного из первого и второго широкозонных ограничительных слоев.
По четвертому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантово размерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и одним из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и другим из первого и второго широкозонных ограничительных слоев введены третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода и фактор оптического ограничения  для активной области собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
1
d1
2
d2
3
d3
s
Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды третьего одномодового волновода и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
d3
L
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P3
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;
L
N - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P3
n - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
По пятому варианту задача решается тем, что инжекционный лазер на основе полупроводниковой гетероструктуры раздельного ограничения включает многомодовый волновод, первый и второй широкозонные ограничительные слои, являющиеся одновременно соответственно эмиттерами p- и n-типа проводимости и расположенные по разные стороны от многомодового волновода, активную область, расположенную в многомодовом волноводе и состоящую из, по меньшей мере, одного квантоворазмерного активного слоя, омические контакты и оптический резонатор. Между многомодовым волноводом и первым широкозонным ограничительным слоем введены первый одномодовый волновод, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой, второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и первым одномодовым волноводом, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между первым одномодовым волноводом и вторым одномодовым волноводом. Между многомодовым волноводом и вторым широкозонным ограничительным слоем введены третий одномодовый волновод, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой, четвертый одномодовый волновод и четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой. Третий дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между многомодовым волноводом и третьим одномодовым волноводом, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой расположен между третьим одномодовым волноводом и четвертым одномодовым волноводом. Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода, фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) многомодового волновода, фактор оптического ограничения  для активной области собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n) многомодового волновода и фактор оптического ограничения  для активной области собственной j-моды (j - целое положительное число, не равное m, n и L) многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода.
1
d1
2
d2
3
d3
4
d4
s
Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода, толщина Р, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды третьего одномодового волновода, толщина Р, нм, четвертого дополнительного широкозонного ограничительного слоя, эффективный показатель преломления N собственной моды четвертого одномодового волновода и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
d3
L
f
s
N=N+k·(n-n);
d4
j
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P3
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода;
L
N - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода;
j
N - эффективный показатель преломления собственной j-моды многомодового волновода;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P3
n - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя;
P4
n - показатель преломления четвертого дополнительного широкозонного ограничительного слоя.
Настоящее изобретение основано на эффекте туннелирования излучения между двумя оптическими волноводами, расположенными друг от друга на расстоянии порядка глубины проникновения оптической моды в слои, разделяющие волноводы (C.R. Pollock, M. Lipson, Integrated Photonics, Springer, 2004, с. 255-259). Условие эффективного туннелирования мод между двумя связанными оптическими волноводами - это совпадение постоянных распространения собственных мод двух волноводов. Это условие также может быть сформулировано как равенство эффективных показателей преломления собственных мод двух волноводов. При таком резонансном взаимодействии двух туннельно-связанных волноводов собственная мода одного волновода и собственная мода другого волновода туннелируют между волноводами с образованием двух комбинированных мод, распространяющихся одновременно по двум волноводам. Интенсивность каждой комбинированной моды распределена поровну между двумя волноводами. Туннелирование возможно между волноводами, имеющими существенно разную толщину.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически показан в разрезе первый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащий первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой;
на фиг. 2 приведено схематическое изображение профиля 13 показателя преломления широкого многомодового волновода, туннельно-связанного с узким первым одномодовым волноводом, и распределение интенсивности 14 фундаментальной моды и интенсивности 15 одной комбинированной моды, возникшей при туннелировании собственной моды второго порядка;
на фиг. 3 схематически показан в разрезе второй вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от многомодового волновода;
на фиг. 4 схематически показан в разрезе третий вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода;
на фиг. 5 схематически показан в разрезе четвертый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода, и третий одномодовый волновод и третий дополнительный широкозонный слой, расположенные с другой стороны от многомодового волновода;
на фиг. 6 схематически показан в разрезе пятый вариант настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои с одной стороны от многомодового волновода и третий и четвертый одномодовые волноводы и третий и четвертый дополнительные широкозонные ограничительные слои с другой стороны от многомодового волновода;
на фиг. 7 в таблице 1 приведены для сравнения толщины и составы слоев волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде;
на фиг. 8 в таблице 2 показаны для сравнения толщины и составы слоев широкого многомодового волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера, излучающего на двух поперечных модах;
на фиг. 9 в таблице 3 приведены толщины и составы слоев широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой;
на фиг. 10 в таблице 4 даны сравнительные параметры оптических мод широкого многомодового волновода наиболее распространенного известного типа инжекционного лазера и широкого волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный слой.
на фиг. 11 в таблице 5 приведены толщины и составы слоев широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода;
на фиг. 12 в таблице 6 приведены значения гамма-фактора оптических мод широкого волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый и второй одномодовые волноводы и первый и второй дополнительные широкозонные ограничительные слои, расположенные с одной стороны от многомодового волновода;
на фиг. 13 в таблице 7 приведены толщины и составы слоев широкого лазерного волновода настоящего инжекционного лазера, излучающего на фундаментальной поперечной моде, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от многомодового волновода;
на фиг. 14 в таблице 8 приведены значения гамма-фактора оптических мод широкого волновода настоящего инжекционного лазера, содержащего первый одномодовый волновод и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой с одной стороны от многомодового волновода и второй одномодовый волновод и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой с другой стороны от многомодового волновода.
Первый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) содержит квантоворазмерную активную область 1, находящуюся в многомодовом нелегированном или слаболегированном волноводе 2, для фундаментальной моды которого выполняется пороговое условие. Многомодовый волновод 2 с одной стороны ограничен первым широкозонным ограничительным слоем 3, являющимся одновременно эмиттером, например, p-типа проводимости. С другой стороны многомодовый волновод 2 через первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 4 туннельно связан с первым одномодовым волноводом 5, который ограничен вторым широкозонным ограничительным слоем 6, являющимся одновременно эмиттером, например, n-типа проводимости. Слои лазерной структуры выращивают на легированной полупроводниковой подложке 7, к которой формируют омический контакт 8. Второй омический контакт 9 формируют к высоколегированному полупроводниковому контактному слою 10, примыкающему к первому широкозонному ограничительному слою 3. Излучение выводится из лазерной структуры через зеркала 11 и 12 резонатора. Пороговое условие также выполняется еще для одной собственной m-моды (m - целое положительное число) многомодового волновода 2. Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды многомодового волновода 2 удовлетворяет соотношению:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 2.
1
d1
s
Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода 5 и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 2 удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
s
cl
P1
n=max(n, n);
m
Где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 2;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода 2;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
cl
n - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу первого широкозонного ограничительного слоя 3;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4.
Второй вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 3) и третий вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 4) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличаются, прежде всего тем, что в многомодовом волноводе 16, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для двух собственных мод высокого порядка: собственной m-моды (m - целое положительное число) и собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m). Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды многомодового волновода 16 и фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды многомодового волновода 16 удовлетворяют соотношениям:
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 16.
1
d1
2
d2
s
Второй вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 3) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается также тем, что между многомодовым волноводом 16 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены первый одномодовый волновод 17 и первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18 расположен между многомодовым волноводом 16 и первым одномодовым волноводом 17. Между многомодовым волноводом 16 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены второй одномодовый волновод 19 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20. Второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20 расположен между многомодовым волноводом 16 и вторым одномодовым волноводом 19. Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода 17, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода 19 и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 16 удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P2
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 16;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода 16;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода 16;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20.
1
d1
2
d2
s
Третий вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 4) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается также тем, что между многомодовым волноводом 16 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены первый одномодовый волновод 17, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18, второй одномодовый волновод 19 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20. Первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 18 расположен между многомодовым волноводом 16 и первым одномодовым волноводом 17, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 20 расположен между первым одномодовым волноводом 17 и вторым одномодовым волноводом 19. Толщина P, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода 17, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода 19 и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 16 удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
cl
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 16;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода 16;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода 16;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 18;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 20;
cl
n - показатель преломления примыкающего к многомодовому волноводу первого широкозонного ограничительного слоя 3.
Четвертый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 5) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается тем, что в многомодовом волноводе 21, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для трех собственных мод высокого порядка: собственной m-моды (m - целое положительное число), собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m) и собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n). Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды многомодового волновода 21, фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды многомодового волновода 21 и фактор оптического ограничения  для активной области собственной L-моды многомодового волновода 21 удовлетворяют соотношениям:
1
d1
2
d2
3
d3
s
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 21. Между многомодовым волноводом 21 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены первый одномодовый волновод 22, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 23, второй одномодовый волновод 24 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 25, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 23 расположен между многомодовым волноводом 21 и первым одномодовым волноводом 22, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 25 расположен между первым одномодовым волноводом 22 и вторым одномодовым волноводом 24, между многомодовым волноводом 21 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены третий одномодовый волновод 26 и третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 27, при этом третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 27 расположен между многомодовым волноводом 21 и третьим одномодовым волноводом 26. Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 23, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода 22, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 25, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода 24, толщина Р, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 27, эффективный показатель преломления N собственной моды третьего одномодового волновода 26 и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 21 удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
d3
L
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P3
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 21;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода 21;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода 21;
L
N - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода 21;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 23;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 25;
P3
n - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 27.
Пятый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 6) от первого варианта настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) отличается тем, что в многомодовом волноводе 28, содержащем квантоворазмерную активную область 1, пороговое условие выполняется для четырех собственных мод высокого порядка: собственной m-моды (m - целое положительное число), собственной n-моды (n - целое положительное число, не равное m), собственной L-моды (L - целое положительное число, не равное m и n) и собственной j-моды (j - целое положительное число, не равное m, n и L). Фактор оптического ограничения  для активной области собственной m-моды многомодового волновода 28, фактор оптического ограничения  для активной области собственной n-моды многомодового волновода 28, фактор оптического ограничения  для активной области собственной L-моды многомодового волновода 28 и фактор оптического ограничения  для активной области собственной j-моды многомодового волновода 28 удовлетворяют соотношениям:
1
d1
2
d2
3
d3
4
d4
s
где  - фактор оптического ограничения для активной области нулевой моды многомодового волновода 28. Между многомодовым волноводом 28 и первым широкозонным ограничительным слоем 3 введены первый одномодовый волновод 29, первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 30, второй одномодовый волновод 31 и второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 32, при этом первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 30 расположен между многомодовым волноводом 28 и первым одномодовым волноводом 29, а второй дополнительный широкозонный ограничительный слой 32 расположен между первым одномодовым волноводом 29 и вторым одномодовым волноводом 31, между многомодовым волноводом 28 и вторым широкозонным ограничительным слоем 6 введены третий одномодовый волновод 33, третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 34, четвертый одномодовый волновод 35 и четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой 36, при этом третий дополнительный широкозонный ограничительный слой 34 расположен между многомодовым волноводом 28 и третьим одномодовым волноводом 33, а четвертый дополнительный широкозонный ограничительный слой 36 расположен между третьим одномодовым волноводом 33 и четвертым одномодовым волноводом 35. Толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 30, эффективный показатель преломления N собственной моды первого одномодового волновода 29, толщина Р, нм, второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 32, эффективный показатель преломления N собственной моды второго одномодового волновода 31, толщина Р, нм, третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 34, эффективный показатель преломления N собственной моды третьего одномодового волновода 33, толщина Р, нм, четвертого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 36, эффективный показатель преломления N собственной моды четвертого одномодового волновода 35 и минимальное значение n эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 28 удовлетворяют соотношениям:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n);
d2
n
f
s
N=N+k·(n-n);
d3
L
f
s
N=N+k·(n-n);
d4
j
f
s
N=N+k·(n-n);
s
P1
P3
n=max(n, n);
m
где N - эффективный показатель преломления собственной m-моды многомодового волновода 28;
k - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне -0,07≤k≤0,07;
f
n - показатель преломления многомодового волновода 28;
n
N - эффективный показатель преломления собственной n-моды многомодового волновода 28;
L
N - эффективный показатель преломления собственной L-моды многомодового волновода 28;
j
N - эффективный показатель преломления собственной j-моды многомодового волновода 28;
q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне 0,5≤q≤2;
λ - длина волны излучения, нм;
P1
n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 30;
P2
n - показатель преломления второго дополнительного широкозонного ограничительного слоя 32;
P3
n - показатель преломления третьего дополнительного широкозонного ограничительного слоя 34;
P4
n - показатель преломления четвертого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 36.
Первый вариант настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 1) работает следующим образом. Через омические контакты 8, 9 в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. При превышении током, пропускаемым через инжекционный лазер, порогового значения, через зеркала резонатора 11, 12 выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины тока, пропускаемого через лазерную гетероструктуру. В режиме лазерной генерации пороговое условие выполняется для фундаментальной моды многомодового волновода 2, и она участвует в лазерной генерации.
m
Пороговое условие также выполняется еще для одной собственной m-моды многомодового волновода 2, имеющей эффективный показатель преломления N. Критерием выполнимости порогового условия для m-моды служит соотношение ее фактора оптического ограничения для активной области  и фактора оптического ограничения для активной области  нулевой моды многомодового волновода 2:
d1
За счет туннелирования собственная m-мода многомодового волновода 2 утекает в первый одномодовый волновод 5, единственная собственная мода которого имеет эффективный показатель преломления N, и образуются комбинированные моды. Интенсивность комбинированной моды распределена примерно поровну между волноводами 2 и 5. Таким образом, m-мода туннельно-связанного многомодового волновода 2 исключается из процесса лазерной генерации. При этом параметры фундаментальной моды многомодового волновода 2 практически не изменяются. Если отношение фактора оптического ограничения для активной области  собственной m-моды к фактору оптического ограничения для активной области  нулевой моды многомодового волновода слишком велико, то утекания собственной m-моды будет недостаточно для исключения ее из процесса лазерной генерации. Поэтому введем соотношение, ограничивающее максимальное значение фактора оптического ограничения для активной области  собственной m-моды:
Объединяя неравенства (1) и (2), получаем предельные значения для фактора оптического ограничения для активной области  собственной m-моды многомодового волновода 2:
На фиг. 2 схематически показаны профиль 13 показателя преломления многомодового волновода 2, туннельно-связанного с первым одномодовым волноводом 5, и распределение интенсивностей 14, 15, соответственно, фундаментальной моды многомодового волновода 2 и одной комбинированной моды, возникшей при туннелировании собственной m-моды (m=2) в первый одномодовый волновод 5.
Условие резонансного туннелирования мод между двумя связанными волноводами 2 и 5:
d1
m
При отклонении эффективного показателя преломления N от резонанса ухудшается туннелирование собственной m-моды многомодового волновода 2 в первый одномодовый волновод 5. Эффективный показатель преломления N собственной m-моды многомодового волновода 2 (T. Numai, Fundamentalsof Semiconductor Lasers, Springer, 2004, с. 50-53) может иметь значения, лежащие в пределах:
n
<N
<n
,                              (4)
s
m
f
f
s
cl
P1
cl
P1
где n - показатель преломления многомодового волновода 2, a n=max(n, n) - минимальное значение эффективного показателя преломления собственных мод многомодового волновода 2, которое равно наибольшему из показателей преломления ограничивающих слоев, примыкающих к многомодовому волноводу 2, n - показатель преломления широкозонного ограничительного слоя 3, n - показатель преломления первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4.
d1
Для настоящей конструкции инжекционного лазера с учетом неравенства (4) введены пределы отклонения эффективного показателя преломления N от резонанса (3), при которых туннелирование собственной m-моды из многомодового волновода 2 еще будет достаточным для исключения ее из процесса лазерной генерации:
| N
-  N
| ≤
∙
n
0,07(
- n
)
(5)
d1
m
f
s
.
d1
m
Используя неравенство (5) и введя безразмерный численный коэффициент k, лежащий в диапазоне от -0,07 до 0,07, введем соотношение для N и N, при котором туннелирование собственной m-моды из многомодового волновода 2 в первый одномодовый волновод 5 еще будет достаточным для исключения ее из процесса лазерной генерации:
d1
m
f
s
N=N+k·(n-n).
1
Для обеспечения эффективного туннелирования между волноводами 2, 5 толщина Р, нм, первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 должна быть сопоставима с эффективной глубиной проникновения собственной m-моды из многомодового волновода 2 в первый дополнительный широкозонный ограничительный слой 4:
где λ - длина волны излучения, нм, q - безразмерный численный коэффициент, лежащий в диапазоне от 0,5 до 2, задающий нижний и верхний предел, соответственно, для толщины первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4. При толщине первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 меньше нижнего предела взаимное влияние волноводов становится слишком сильным, что приводит к сильной чувствительности пространственного распределения комбинированных мод к параметрам волноводов. При толщине первого дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 больше верхнего предела ухудшается оптическое туннелирование между двумя волноводами 2, 5, и комбинированные моды становятся нестабильными.
В настоящем инжекционном лазере многомодовый волновод может быть туннельно связан с несколькими одномодовыми волноводами. Например, в пятом варианте настоящего инжекционного лазера (см. фиг. 6) широкий многомодовый волновод 28 туннельно связан с четырьмя одномодовыми волноводами 29, 31, 33 и 35. С каждой стороны многомодового волновода 28 расположены по два одномодовых волновода и по два дополнительных широкозонных ограничительных слоя. Все одномодовые волноводы 29, 31, 33 и 35 имеют разные эффективные показатели преломления. Этот вариант настоящего инжекционного лазера работает следующим образом. Через омический контакты 8, 9 в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, пропускают электрический ток, причем режим работы инжекционного лазера соответствует прямому смещению p-n-перехода. При превышении током, пропускаемым через инжекционный лазер, порогового значения, через зеркала резонатора 11, 12 выходит лазерное излучение. Мощность выходящего излучения, помимо параметров структуры, зависит от величины тока, пропускаемого через лазерную гетероструктуру. В режиме лазерной генерации пороговое условие выполняется для фундаментальной моды многомодового волновода 28, и она участвует в лазерной генерации. В многомодовом волноводе 28 пороговое условие лазерной генерации выполняется также для четырех собственных мод высокого порядка, количество которых равно количеству одномодовых волноводов. За счет резонансного туннелирования каждая из этих собственных мод утекает в один из одномодовых волноводов, совпадающий с ней по эффективному показателю преломления, с образованием комбинированных мод. При этом в одномодовые волноводы 31 и 35 собственные моды высокого порядка многомодового волновода 28 туннелируют через одномодовые волноводы 29 и 33, соответственно, и через дополнительные широкозонные ограничительные слои 30, 32 и 34, 36. Возможность такого сквозного туннелирования через одномодовые волноводы 29 и 33 связана с тем, что все одномодовые волноводы 29, 31, 33 и 35 имеют разные эффективные показатели преломления. Использование большего количества одномодовых волноводов с каждой стороны от многомодового волновода 28 будет приводить к сильному взаимному влиянию одномодовых волноводов и к ослаблению туннелирования собственных мод высокого порядка в одномодовые волноводы. Таким образом, в процессе работы настоящего инжекционного лазера собственные моды высокого порядка многомодового волновода 28, для которых выполнялось пороговое условие, исключаются из процесса лазерной генерации. При этом параметры фундаментальной моды многомодового волновода 28 практически не изменяются. Параметры многомодового волновода 28 и туннельно-связанных с ним одномодовых волноводов 29, 31, 33 и 35 определяются аналогично методике определения параметров многомодового волновода 2, одномодового волновода 5 и дополнительного широкозонного ограничительного слоя 4 для первого варианта настоящего инжекционного лазера.
-1
-1
Пример 1. Были изготовлены для сравнительных испытаний два инжекционных лазера наиболее распространенного типа (лазер, излучающий на фундаментальной поперечной моде, и лазер, излучающий на двух поперечных модах) и настоящий инжекционный лазер (первый вариант). Лазеры выращивались на подложках GaAsc активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. На фиг. 7 в таблице 1 представлено описание толщин и составов слоев волновода лазера наиболее распространенного типа, в котором активная область расположена в середине двухмодового волновода. При этом пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды, для которой гамма-фактор составляет 1,6%. Расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 35 град, (по уровню 0,5). Расширение волновода приводило к возможности существования в нем мод более высоких порядков. Волновод толщиной 2,5 мкм, представленный на фиг. 8 в таблице 2, имел четыре собственных моды: от нулевой до третьей. Для фундаментальной моды и моды второго порядка выполнялось пороговое условие. Лазер на основе этого волновода является многомодовым. На фиг. 9 в таблице 3 для настоящего лазера представлено описание многомодового волновода толщиной 2,5 мкм, который через первый дополнительный широкозонный ограничительный слой толщиной 0,25 мкм туннельно связан с первым одномодовым волноводом толщиной 0,55 мкм. Собственная мода второго порядка многомодового волновода туннелировала в первый одномодовый волновод с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для нее в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 23 град, (по уровню 0,5). На фиг. 10 в таблице 4 приведены значения гамма-фактора для оптических мод многомодового волновода лазера наиболее распространенного типа и многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с первым одномодовым волноводом. Гамма-факторы фундаментальных мод для обоих лазеров одинаковые. Моды первого и третьего порядка в обоих лазерах имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие. Гамма-фактор моды второго порядка волновода лазера наиболее распространенного типа в 1,2 раза меньше гамма-фактора фундаментальной моды и для нее выполняется пороговое условие. В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственная мода второго порядка за счет туннелирования образует комбинированные моды с гамма-фактором в 2,2 раза меньшим, чем гамма-фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому для комбинированных мод пороговое условие не выполняется. Комбинированные моды в значительной части распространяются по первому дополнительному широкозонному ограничительному слою и первому одномодовому волноводу, имеющим сильное легирование, за счет чего они имеет оптические потери более 4,5 см, что еще больше уменьшает вероятность выполнения для них порогового условия. Для сравнения, мода второго порядка в многомодовом волноводе лазера наиболее распространенного типа имеет в 3,6 раза меньшие оптические потери 1,3 см.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удается эффективно подавить лазерную генерацию на его собственной моде высокого порядка за счет ее оптического туннелирования через дополнительный широкозонный ограничительный слой в узкий одномодовый волновод. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.
Пример 2. Был изготовлен для испытаний настоящий инжекционный лазер (третий вариант). Лазер выращивался на подложке GaAs с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. На фиг. 11 в таблице 5 для настоящего лазера представлено описание многомодового волновода толщиной 3,6 мкм, который через широкозонные ограничительные слои туннельно связан с двумя одномодовыми волноводами толщиной 0,3 мкм и 0,4 мкм, расположенными с одной стороны от многомодового волновода. Собственные моды второго и четвертого порядка многомодового волновода туннелировали в одномодовые волноводы с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для нее в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 16 град, (по уровню 0,5). На фиг. 12 в таблице 6 приведены значения гамма-фактора для оптических мод многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с двумя одномодовыми волноводами. Моды первого, третьего порядка и пятого порядка имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие. В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственные моды второго и четвертого порядка за счет туннелирования образуют комбинированные моды с гамма-факторами почти в 2,5 раза меньшими, чем гамма-фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому для комбинированных мод пороговое условие не выполняется.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удается эффективно подавить лазерную генерацию на его собственных модах высокого порядка за счет их оптического туннелирования через ограничительные слои в узкие одномодовые волноводы. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.
Пример 3. Был изготовлен для испытаний настоящий инжекционный лазер (второй вариант). Лазер выращивался на подложке GaAs с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs, излучающих на длине волны 1,04 мкм. На фиг. 13 в таблице 7 для настоящего лазера представлено описание многомодового волновода толщиной 3,6 мкм, который через широкозонные ограничительные слои туннельно связан с двумя одномодовыми волноводами толщиной 0,31 мкм и 0,32 мкм, расположенными с разных сторон от многомодового волновода. Собственные моды второго и четвертого порядка многомодового волновода туннелировали в одномодовые волноводы с образованием комбинированных мод. Пороговое условие выполнялось только для фундаментальной моды многомодового волновода. Расходимость излучения для нее в плоскости, перпендикулярной слоям структуры, составляла 16 град (по уровню 0,5). На фиг. 14 в таблице 8 приведены значения гамма-фактора для оптических мод многомодового волновода настоящего лазера, туннельно-связанного с двумя одномодовыми волноводами. Моды первого, третьего порядка и пятого порядка имеют гамма-факторы в десятки раз меньше, чем у фундаментальной моды, и для них не выполнялось пороговое условие. В туннельно-связанном многомодовом волноводе настоящего лазера собственные моды второго и четвертого порядка за счет туннелирования образуют комбинированные моды с гамма-факторами почти в 2,5 раза меньшими, чем гамма-фактор фундаментальной моды многомодового волновода, поэтому для комбинированных мод пороговое условие не выполняется.
Таким образом, в настоящем инжекционном лазере, содержащем многомодовый волновод с активной областью, удается эффективно подавить лазерную генерацию на его собственных модах высокого порядка за счет их оптического туннелирования через ограничительные слои в узкие одномодовые волноводы. При этом сохраняется лазерная генерация на фундаментальной моде широкого многомодового волновода.