ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С МОДУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к инжекционным лазерам с модулированным излучением.

Получение управляемой последовательности лазерных импульсов актуально для ряда практических применений, в частности, в системах оптической связи в свободном пространстве, лазерной локации, дальнометрии. Импульсные источники мощного лазерного излучения, основанные на твердотельных лазерах, отличаются высокой стоимостью, низкой энергоэффективностью, а также большими габаритами. Построение оптических систем на основе полупроводниковых кристаллов позволит снизить стоимость и повысить энергоэффективность за счет низкой себестоимости и высокого КПД лазерных наногетероструктур. Однако для таких излучателей нет простых решений, в том числе схемотехнических, позволяющих достичь необходимого быстродействия и сохраняющих преимущества полупроводниковых лазеров.

В известных инжекционных лазерах возможность получения управляемой последовательности лазерных импульсов обеспечивается либо прямой токовой модуляцией секции усиления, либо использованием внешних электрооптических модуляторов.

Известен инжекционный лазер (см. Sugawara, M., Hatori, N., Ishida, M., Ebe, Н., Arakawa, Y., Akiyama, Т., Otsubo, К., Yamamoto, Т. and Nakata, Y. - Recent progress in selfassembled quantum-dot optical devices for optical telecommunication:temperature-insensitive 10 Gb/s directly modulated lasers and 40 Gb/s signal-regenerative amplifier. - J. Phys. D Appl. Phys., 2005, 38, p.2126), включающий гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную гранями Фабри-Перо резонатора и протравленными мезаканавками, полосковый контакт с р-стороны.

Известный инжекционный лазер работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора. Конфигурация мод определяется конструкциями продольных и поперечных волноводов, а также характеристиками Фабри-Перо резонатора (кривизна отражающих поверхностей, распределение усиления в объеме резонатора, коэффициенты отражения).

Обычно в подобных инжекционных лазерах управляемая последовательность лазерных импульсов обеспечивается прямой модуляцией тока накачки секции усиления. В этом случае генерация стимулированного излучения достигается за счет пропускания тока через полосковый омический контакт, размеры которого определяются шириной продольного волновода и длиной Фабри-Перо резонатора. Прямая модуляция тока накачки секции усиления обеспечивает увеличение или уменьшение количества инжектированных носителей заряда в активную область, которые в результате стимулированной рекомбинации уменьшают или увеличивают мощность, излучаемую Фабри-Перо модами (ФПМ) в соответствии с соотношением (при токе накачки выше порога) [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]:

где P_out - выходная оптическая мощность лазерного излучения, Вт; η_i - внутренняя квантовая эффективность, отн.ед.; - потери на выход излучения из резонатора ФПМ, см^-1; - внутренние оптические потери ФПМ, см^-1; - энергия фотона ФПМ, еВ; I_pump - ток накачки, A; I_th - пороговый ток, А.

Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности.

Известно техническое решение, обеспечивающее получение управляемой последовательности импульсов, включающее инжекционный лазер, работающий в непрерывном режиме генерации, и внешний модулятор в виде интерферометра Маха-Цендера (см. J.Е. ZUCKER, К.L. JONES, В.I. MILLER, AND U. KOREN. - IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 2, NO. I, JANUARY 1990 pp32-34). В известном техническом решении управление интенсивностью непрерывного излучения инжекционного лазера обеспечивается изменением пропускания внешнего модулятора.

Недостатком данного технического решения является необходимость использовать дополнительные оптические элементы, что усложняет технологию изготовления такого типа приборов.

Известен инжекционный лазер (см. J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Connors, L.J. Missaggia, W. Loh, G.M. Smith, K.G. Ray, F.J. O'Donnell, J.P. Donnelly and P.W. Juodawlkis Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser. - ELECTRONICS LETTERS, - 1st April 2010 Vol.46 No. 7 p.522-523), включающий AIGaAs/InGaAs гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную протравленными мезаканавками и гранями Фабри-Перо резонатора, имеет длину Фабри-Перо резонатора 5 мм с нанесенными просветляющими (5%) и отражающими покрытиями (95%). С p-стороны инжекция осуществлялась через полосковый контакт шириной 5,7 мкм. Электрическое ограничение формировалось за счет протравленных мезаканавок. Управляемая последовательность импульсов в полупроводниковом лазере была получена при накачке полупроводникового лазера импульсами тока амплитудой 2,3 А, длительностью 35 нс и частотой 2 МГц. Пиковое значение выходной оптической мощности составило 2,3 Вт. Известный инжекционный лазер работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора.

К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также необходимость модуляции тока инжекции в области усиления, что требует увеличения амплитуды тока накачки для повышения амплитуды выходного оптического сигнала.

Известен инжекционный лазер (см. N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, O. Parillauda, M. Krakowski, I. Esquivias, H. Odriozola, J.M. G. Tijerob, C.H. Kwokc, R.V. Pentyc, I.H. White. - Two-sections tapered diode lasers for 1 Gbps free-space optical communications with high modulation efficiency Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. - Proc. of SPIE Vol.7616, 76161F · 2010 SPIE · CCC code: 0277-786X/10/$18 · doi: 10.1117/12.840702) на основе AIGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктуры, включающий секцию управления длиной 1 мм, представляющую полосковую конструкцию, ограниченную в продольном направлении протравленными мезаканавками, и секцию усиления длиной 2 мм, характеризующуюся расширяющейся в плоскости слоев гетероструктуры под углом 40° областью инжекции. Секция усиления и секция управления были электрически изолированы друг от друга. Была получена управляемая последовательность оптических импульсов амплитудой 530 мВт при генерации случайной последовательности со скоростью 1 Гбит/с. Достигнутые импульсные характеристики были получены при непрерывной накачке секции усиления током 1,1 А и импульсной накачке секции управления током амплитудой 48 мА. Физический принцип работы предлагаемой конструкции заключался в следующем: оптический импульс, генерируемый импульсным током накачки в секции управления, усиливался, распространяясь в секции усиления. Секции усиления и управления образовывали составной Фабри-Перо резонатор, длина которого определялась суммами длин каждой из секций. Известный инжекционный лазер работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора.

К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности.

Известен самоосцилирующий лазерный диод (см. заявка KR 100818635, МПК H01S 3/0941, опубликована 02.04.2008). Известный лазерный диод включает секцию с распределенной обратной связью, секцию усиления, секцию фазовой подстройки и внешний источник тока инжекции, модулированного в радиочастотном диапазоне. Секция обратной связи выполняет роль зеркала. Секция усиления связана с секцией обратной связи и расположена в конце секции обратной связи. Секция усиления и секция обратной связи формируют Фабри-Перо резонатор. Внешний источник тока инжекции осуществляет накачку по меньшей мере части секции обратной связи и секции усиления. Внешний источник согласован с секциями накачки, что позволяет сохранить широкий диапазон перестройки частоты и генерирующий стабильные ультакороткие импульсы. Известный лазерный диод обеспечивает излучение стабильных оптических ультракоротких импульсов посредством модуляции тока инжекции в радиочастотном диапазоне. Известное изобретение позволяет получать последовательность оптических импульсов с частотой до 40 ГГц. Известный самоосцилирующий лазерный диод работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора.

Недостатком известного лазерного диода являются низкие уровни выходной оптической мощности, которые достигаются при токах накачки, не превышающих 100мА, а также невозможность выбора заданной последовательности выходных оптических импульсов.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению

;

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

Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности, а также наличием переходных процессов при включении лазерной генерации, связанных с накоплением пороговой концентрации носителей заряда в активной области.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, которая бы обеспечивала изменение выходной оптической мощности электрическими сигналами управления существенно меньшей мощности и токовой амплитуды по сравнению с пиковым уровнем оптической мощности излучаемого лазерного импульса и амплитуды тока накачки без использования внешних электрооптических элементов, а также снижение времен включения и выключения излучаемых лазерных импульсов.

Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер включает выращенную на подложке гетероструктуру, волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, резонатор для замкнутой моды, по меньшей мере один первый омический контакт, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий секцию усиления с расположенной в ней областью инжекции, и по меньшей мере один второй омический контакт, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости вне области распространения мод Фабри-Перо резонатора, формирующий секцию управления с расположенной в ней областью поглощения. По меньшей мере один первый омический контакт является электрически изолированным по меньшей мере от одного второго омического контакта. Третий омический контакт нанесен на внешнюю сторону подложки. Секции усиления и секции управления оптически связаны по меньшей мере через часть волноводного слоя, общего для секций усиления и управления.

Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, обеспечивающего уменьшение поглощения фотонов ЗМ при инжекции носителей заряда в активную область в случае прямо смещенного p-n-перехода секции управления.

Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, обеспечивающего увеличение поглощения фотонов ЗМ при экстракции носителей заряда из активной области в случае обратно смещенного p-n-перехода секции управления.

По меньшей мере часть области объемного заряда может быть сформирована волноводным слоем секции управления.

Электрическая изоляция первого омического контакта от второго омического контакта может быть обеспечена протравливанием мезаканавок, или имплантацией ионов (кислорода, аргона, азота, водорода и др.), или заращиванием высокоомным материалом.

Зеркала резонаторов для ФПМ и ЗМ могут быть образованы естественно сколотыми гранями кристалла инжекционного лазера, или протравленными мезаканавками, или нанесенными распределенными дифракционными отражателями.

Улучшение таких характеристик настоящего инжекционного лазера, как управление выходной оптической мощностью электрическими сигналами управления существенно меньшей мощности и токовой амплитуды относительно пикового уровня оптической мощности излучаемого лазерного импульса и амплитуды тока накачки без использования внешних электрооптических элементов, снижение времен включения и выключения излучаемых лазерных импульсов, обеспечивается за счет использования в заявляемом инжекционном лазере секции управления, электрически изолированной и оптически связанной с секцией усиления, переключающей генерацию между модами Фабри-Перо (ФПМ) резонатора и замкнутой модой (ЗМ).

Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан заявляемый инжекционный лазер с секцией усиления и секцией управления;

на фиг.2 приведены схематические диаграммы для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I_pump), отн.ед. - кривая 1; тока секции управления (ΔI_dr), отн.ед. - кривая 2; внутренних оптических потерь замкнутой моды (α_i ^CM), отн.ед. - кривая 3; мощности, излучаемой инжекционным лазером (P_out), отн.ед. - кривая 4; мощности, генерируемой замкнутой модой, отн.ед. - кривая 5;

на фиг.3 приведены схематические диаграммы для второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I_pump), отн.ед. - кривая 6; напряжения секции управления , отн.ед. - кривая 7; внутренних оптических потерь замкнутой моды (α_i ^CM), отн.ед. - кривая 8; мощности, излучаемой инжекционным лазером (P_out), отн.ед. - кривая 9; мощности, генерируемой замкнутой модой, отн.ед. - кривая 10;

на фиг.4 приведены качественные зависимости материального усиления в секции усиления в режиме генерации ФПМ (кривая 11) и потерь в секции управления (кривая 12 - управляющий сигнал отсутствует (ΔI_dr=0); кривая 13 - управляющий сигнал ΔI_dr=ΔI_{dr_min}; кривая 14 - управляющий сигнал от длины волны для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и ЗМ (λ_FP и λ_CM - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ, отн.ед.; и - материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ, отн.ед.; - величина минимального снижения внутренних оптических потерь в секции управления, обеспечивающая выполнение пороговых условий генерации ЗМ, отн.ед.);

на фиг.5 приведены качественные зависимости материального усиления в секции усиления в режиме генерации ФПМ (кривая 15) и поглощения в секции управления (кривая 16 - управляющий сигнал отсутствует (ΔU_dr=0); кривая 17 - управляющий сигнал обеспечивает увеличение поглощения в секции управления за счет обеднения активной области фотогенерированными носителями заряда ; кривая 18 - управляющий сигнал ; кривая 19 - управляющий сигнал от длины волны для второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и ЗМ (λ_FP и λ_CM - длины волн генерации соответственно ФПМ и ЗМ, отн.ед.; и - материальное усиление соответственно ФПМ и ЗМ, отн.ед.; - минимальное увеличение поглощения в секции управления, обеспечивающее выполнение пороговых условий генерации ФПМ, отн.ед.; - величина поглощения в секции управления, обеспечивающая включение ФПМ, отн.ед.

Настоящий инжекционный лазер с модулированным излучением на основе гетероструктуры (см. фиг.1) содержит секцию 1 усиления (заштрихована наклонными непрерывными линиями), секцию 2 управления (заштрихована пересекающимися наклонными непрерывными линиями), элемент 3, обеспечивающий электрическую изоляцию первого омического контакта 4 секции 1 усиления от второго омического контакта 5 секции 2 управления, элемент 6, включающий по меньшей мере часть волноводного слоя, общего для секции 1 усиления и секции 2 управления (заштрихован наклонными пунктирными линиями), обеспечивающий оптическую связь секции 1 усиления и секции 2 управления, поверхности, ограничивающие инжекционный лазер в вертикальных плоскостях 7, 8, 9, 10, оптический резонатор для ФПМ, образованный по меньшей мере частью поверхности 7 с нанесенным просветляющим покрытием и частью поверхности 9, противолежащей поверхности 7, с нанесенным отражающим покрытием, оптический резонатор для ЗМ, образованный по меньшей мере частью поверхности 7 с нанесенным просветляющим покрытием, частью поверхности 9 с нанесенным отражающим покрытием, а также частью поверхностей 8 и 10. Секция 1 усиления включает активную область 11, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, расположенную в волноводном слое 12, заключенном между широкозонным эмиттером 13 n-типа проводимости и широкозонным эмиттером 14 p-типа проводимости, первый омический контакт 4 к широкозонному эмиттеру 14 p-типа проводимости, подложку 15, третий омический контакт 16 к подложке 15. Секция 2 управления включает активную область 17, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, расположенную в волноводном слое 18, заключенном между широкозонным эмиттером 19 n-типа проводимости и широкозонным эмиттером 20 p-типа проводимости, второй омический контакт 5 к широкозонному эмиттеру 20 p-типа проводимости, подложку 15, третий омический контакт 16 к подложке.

В основе настоящего технического решения получения управляемой последовательности лазерных импульсов лежит физический принцип переключения генерации между ФПМ и ЗМ. ФПМ характеризуются ненулевыми оптическими потерями на выход излучения из резонатора . Данный вид оптических потерь является полезным и определяет величину выходной оптической мощности лазерного излучения (Р_оut). Для ЗМ потери на выход излучения из резонатора близки к нулю. Таким образом, при генерации ФПМ лазер излучает полезную мощность в окружающую среду, а при генерации ЗМ лазерное излучение остается внутри кристалла.

Условия реализации описанного физического принципа переключения генерации между ФПМ и ЗМ в настоящем инжекционном лазере можно определить из анализа скоростных уравнений для многомодового режима генерации в полосковых инжекционных лазерах [L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)]. Так, должны быть созданы условия для достижения порога генерации ФПМ и ЗМ за счет включения в настоящее техническое решение секции 1 усиления. Тогда в одномодовом режиме генерация ФПМ достигается при выполнении порогового соотношения:

где - доля поля ФПМ, приходящаяся на активную область 11 в секции 1 усиления, отн.ед.;

- материальное усиление в секции 1 усиления для фотонов ФПМ, см^-1;

- внутренние оптические потери ФПМ, см^-1; а генерация ЗМ достигается при выполнении порогового соотношения

где - доля поля ЗМ, приходящаяся на активную область 11 в секции 1 усиления, отн.ед.;

- материальное усиление в секции 1 усиления для фотонов ЗМ, см^-1;

- внутренние оптические потери ЗМ, см^-1.

В многомодовом режиме при выполненных (2) и (3) переключение генерации с ФПМ на ЗМ возможно, когда

где , - групповые скорости ФПМ и ЗМ соответственно, м/с;

, - время жизни фотонов ФПМ и ЗМ соответственно, с.

Также справедливо обратное: переключение генерации с ЗМ на ФПМ возможно, когда

При выполнении неравенства (4) в результате стимулированной рекомбинации в секции 1 усиления будут генерироваться только фотоны ЗМ, а выполнение неравенства (7) обеспечит генерацию в секции 1 усиления только фотонов ФПМ. Т.е. для переключения генерации между ФПМ и ЗМ также необходимо обеспечить управление пороговыми условиями генерации ЗМ через управление величиной внутренних оптических потерь ЗМ .

В настоящем техническом решении секция усиления 1 включает активную область 11, состоящую из по меньшей мере одного квантово-размерного активного слоя, обеспечивающего усиление и эффективную стимулированную рекомбинацию инжектированных электронов и дырок как на длине волны ЗМ, так и на длине волны ФПМ, расположенную в волноводном слое 12, заключенном между широкозонным эмиттером 13 n-типа проводимости и широкозонным эмиттером 14 p-типа проводимости, обеспечивающие инжекцию электронов и дырок соответственно в активную область 11, первый омический контакт к широкозонному эмиттеру 14 p-типа проводимости 4, электрически изолированный от второго омического контакта 5 секции 2 управления, обеспечивающий независимую накачку прямым током секции 1 усиления, третий омический контакт 16 к подложке 15.

Усиление стимулированной рекомбинации в секции 1 усиления на длинах волн ФПМ и ЗМ обеспечивается накопленной в активной области 11 пороговой концентрацией электронов и дырок, обеспечиваемой пороговым током (I_th). Для выполнения пороговых условий генерации (2) и (3) необходимо выполнение неравенств и . Перекрытие полей ФПМ и ЗМ с активной областью 11 в секции усиления обеспечивает слабое изменение пороговой концентрации носителей заряда в активной области 11 при переключении режимов генерации между ФПМ и ЗМ, что позволяет снизить интенсивность релаксационных колебаний. Генерируемое количество фотонов на длинах волн ФПМ или ЗМ обеспечивается превышением тока накачки секции усиления над пороговым током (I_pump-I_th).

В настоящем техническом решении переключение режимов генерации между ФПМ и ЗМ обеспечивается включением в конструкцию инжекционного лазера секции 2 управления. Физический смысл секции 2 управления заключается в возможности управляемого изменения внутренних оптических потерь для ЗМ , при этом суммарные потери для ФПМ остаются без изменений. В настоящем техническом решении секция 2 управления располагается в инжекционном лазере таким образом, чтобы отсутствовало перекрытие с областью распространения ФПМ. Такая конфигурация позволяет избежать паразитного влияния вносимых внутренних оптических потерь для ЗМ на излучательную эффективность ФПМ.

В настоящем техническом решении секция 2 управления включает активную область 17, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, обеспечивающего уменьшение поглощения фотонов ЗМ (при инжекции носителей заряда в активную область 17 в случае прямо смещенного p-n-перехода секции 2 управления) или увеличение поглощения фотонов ЗМ (при экстракции носителей заряда из активной области 17 в случае обратно смещенного p-n-перехода секции 2 управления), расположенную в волноводном слое 18, формирующем по крайней мере часть области объемного заряда и заключенном между широкозонным эмиттером 19 n-типа проводимости и широкозонным эмиттером 20 p-типа проводимости, обеспечивающими инжекцию электронов и дырок в активную область 17 при прямой полярности смещения p-n-перехода секции 2 управления или экстракцию электронов и дырок из активной области 17 при обратной полярности смещения p-n-перехода секции 2 управления, второй омический контакт 5 к широкозонному эмиттеру 20 p-типа проводимости, электрически изолированный от первого омического контакта 4 секции 1 усиления, обеспечивающий независимое протекание тока управления при прямом смещении p-n-перехода секции 2 управления и (или) распределение напряжения управления и протекание тока экстракции при обратном смещении p-n-перехода секции 2 управления, подложку 15, третий омический контакт 16 к подложке 15. Изменение внутренних оптических потерь для ЗМ при подаче управляющего сигнала на секцию 2 управления происходит за счет изменения поглощения активной области 17. Тогда внутренние оптические потери для ЗМ могут быть представлены в виде суммы оптических потерь ЗМ в условиях, когда управляющий сигнал отсутствует , и приращения , обеспечиваемого изменением коэффициента поглощения активной области 17 секции 2 управления на длине волны генерации ЗМ при подаче управляющего сигнала

Переключение генерации между ФПМ и ЗМ в предлагаемом техническом решении обеспечивается одновременной реализацией принципов независимой электрической накачки секции 1 усиления и секции 2 управления, а также и оптической связи секции 1 усиления и секции 2 управления через элемент 6, включающий по меньшей мере часть волноводного слоя, общего для секции 1 усиления и секции 2 управления. Независимая электрическая накачка секции 1 усиления и секции 2 управления обеспечивается включением элемента 3 электрической изоляции и может быть реализована по меньшей мере одним из способов: протравливание мезаканавок, имплантация ионов (кислорода, аргона, азота, водорода и др.), заращивание высокоомным материалом. Элемент 3 электрической изоляции должен обеспечивать сопротивление более 1 кОм между первым омическим контактом секции 1 усиления 4 и вторым омическим контактом секции 2 управления 5. Оптическая связь секции 1 усиления и секции 2 управления должна обеспечивать выполнение неравенства посредством включения элемента 6, имеющего по меньшей мере часть волноводного слоя, общего с волноводными слоями 12 и 18.

В настоящем техническом решении эффективная генерация ФПМ и ЗМ обеспечивается сформированными оптическими резонаторами. Резонатор для ФПМ должен обеспечивать обратную связь для фотонов ФПМ, а также выполнение неравенства . Резонатор для ЗМ должен обеспечивать обратную связь для фотонов ЗМ, а также выполнение неравенств , . Зеркала резонаторов для ФПМ и ЗМ могут быть образованы по меньшей мере одним из следующих способов: естественно сколотыми гранями кристалла инжекционного лазера, протравливанием мезаканавок, заращиванием материалом с меньшим показателей преломления, нанесением распределенных дифракционных отражателей.

В настоящем техническом решении возможно два способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и ЗМ. В первом способе в отсутствии управляющего сигнала на секции управления 2 при токе накачки I_pump секции 1 усиления инжекционный лазер работает в режиме генерации ФПМ. Подачей управляющего сигнала на секцию 2 управления генерация переключается на ЗМ (см. фиг.2, кривые 1-5). Для второго способа в отсутствие управляющего сигнала секции 2 управления при токе накачки I_pump секции 1 усиления инжекционный лазер работает в режиме генерации ЗМ. Подачей управляющего сигнала на секцию 2 управления генерация переключается на ФПМ (см. фиг.3, кривые 6-10).

В рамках первого способа сигнал, подаваемый на секцию 2 управления, должен обеспечивать снижение внутренних оптических потерь для ЗМ . Тогда (8) для первого способа переключения перепишется как

До момента подачи управляющего сигнала на секцию 2 управления геометрические параметры секции 1 усиления и секции 2 управления (ширина и длина омических контактов, размеры оптических резонаторов ФПМ и ЗМ), характеристики элемента 6 оптической связи, а также составы, толщины, уровни легирования слоев 11-14 и 17-20 твердых растворов, определяющие величины , , , , , , , а также амплитуда тока (I_pump) секции 1 усиления должны обеспечивать генерацию ФПМ. Во время работы инжекционного лазера в режиме генерации управляемой последовательности лазерных импульсов амплитуда тока (I_pump) секции 1 усиления может оставаться неизменной либо меняться в интервале

где I_pump__max - максимальное значение амплитуды тока секции усиления 1, при котором сохраняется устойчивая генерация ФПМ после момента выключения управляющего сигнала секции 2 управления. Снижение внутренних оптических потерь для ЗМ обеспечивается подачей управляющего сигнала на секцию 2 управления через электрически изолированный второй омический контакт 5 в виде тока инжекции (ΔI_dr) при прямом смещении p-n-перехода секции 2 управления. Инжектированные в активную область 17 секции управления носители заряда накапливаются и снижают коэффициент поглощения для фотонов ЗМ (см. фиг.4 кривые 12-14). Минимальная амплитуда управляющего сигнала (ΔI_dr__min) должна снизить внутренние оптические потери секции 2 управления 2 на величину (см. фиг.4 кривая 13), достаточную для выполнения пороговых условий генерации ЗМ (3) при модальном усилении , обеспечиваемом в секции 1 усиления в условиях генерации ФПМ (см. фиг.4 кривая 11). Т.к. в рассматриваемом техническом решении всегда ,то выполнение условия (3) обеспечивает выполнение условия (4), а значит управляющий сигнал с амплитудой, удовлетворяющей неравенству , обеспечивает переключение генерации с ФПМ на ЗМ. Стабильное переключение достигается при условии, что .

Для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов режим генерации ФПМ реализуется в следующих условиях:

ток секции усиления I_pump, A; ;

управляющий сигнал на секцию управления не подан: ΔI_dr=0;

внутренние оптические потери ЗМ при ΔI_dr=0, см^-1: ;

пороговое условие генерации ФПМ выполнено:

;

условия генерации ФПМ:

пороговое условие генерации ЗМ не выполнено:

мощность, излучаемая инжекционным лазером, Вт:

, P_out>0

режим генерации ЗМ реализуется в следующих условиях:

ток секции усиления I_pump, A: I_th<I_pump<I_{pump_max};

управляющий сигнал на секцию управления подан, А:

;

внутренние оптические потери ЗМ при , см^-1:

;

пороговое условие генерации ЗМ выполнено: ;

условие генерации ЗМ: , ;

мощность, излучаемая инжекционным лазером: P_out≈0

В рамках второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов сигнал, подаваемый на секцию 2 управления, должен обеспечивать увеличение внутренних оптических потерь для ЗМ . Тогда (8) для второго способа переключения перепишется как

В этом случае до момента подачи управляющего сигнала на секцию 2 управления геометрические параметры секции 1 усиления и секции 2 управления (ширина и длина омических контактов, размеры оптических резонаторов ФПМ и ЗМ), характеристики элемента 6 оптической связи, а также составы, толщины, уровни легирования слоев 11-14 и 17-20 твердых растворов, определяющие величины , , , , , , , а также амплитуда тока (I_pump) секции 1 усиления должны обеспечивать генерацию ЗМ. Во время работы инжекционного лазера в режиме генерации управляемой последовательности лазерных импульсов амплитуда тока (I_pump) секции 1 усиления может оставаться неизменной либо меняться в диапазоне

где I_{pump_min} - минимальное значение амплитуды тока секции 1 усиления, при котором сохраняется устойчивая генерация ЗМ, до момента включения управляющего сигнала; I_{pump_min} максимальное значение амплитуды тока секции 1 усиления, определяемое характеристиками безотказной работы инжекционного лазера. Увеличение внутренних оптических потерь для ЗМ обеспечивается подачей управляющего сигнала на секцию 2 управления через электрически изолированный второй омический контакт 5 в виде обратного напряжения (ΔU_dr), обеспечивающего обратное смещение p-n-перехода секции 2 управления. Обратное смещение p-n-перехода секции 2 управления обеспечивает удаление из активной области 17 фотогенерированных носителей заряда за счет тока экстракции, что ведет к увеличению коэффициента поглощения фотонов ЗМ в секции управления (см. фиг.5, кривая 17). Также в результате приложенного обратного смещения увеличивается напряженность электрического поля в активной области 17 секции управления, что ведет к смещению спектра поглощения в длинноволновую область за счет квантового эффекта Штарка (см. фиг.5, кривая 18, 19). В результате увеличивается коэффициент поглощения фотонов ЗМ в секции 2 управления (фиг.5, кривые 17-19). В режиме генерации ЗМ увеличение внутренних оптических потерь ЗМ ведет к росту концентрации носителей заряда в активной области 11 секции усиления и увеличению материального усиления. Минимальное значение для переключения генерации с ЗМ на ФПМ должно увеличить коэффициент поглощения фотонов ЗМ в активной области 17 секции 2 управления на величину (см. фиг.5 кривая 18), обеспечивающую выполнение неравенства (7). Стабильное переключение достигается при условии, что . В этом случае для рассматриваемого технического решения неравенство (2) выполняется автоматически. Зависимость коэффициента поглощения ЗМ от обратного напряжения имеет максимум, в котором длине волны ЗМ соответствует положение пика экситонного поглощения, при дальнейшем увеличении обратного напряжения поглощение падает. В результате можно определить максимальное значение , при котором обеспечивается необходимое приращение . При большем напряжении, чем коэффициент поглощения фотонов ЗМ в активной области 17 секции управления будет меньше (см. фиг.5 кривая 19), что не обеспечит выполнение неравенства (7). Другим механизмом, ограничивающим значение , является наступление пробоя, сопровождаемое неконтролируемым увеличением обратного тока и возникновением необратимых изменений в секции управления, проявляющихся в появлении токов утечки. Необходимо, чтобы величина была меньше пробивного напряжения. Таким образом, для второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов эффективное переключение генерации с ЗМ на ФПМ реализуется при использовании управляющего сигнала из диапазона .

Для второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов режим генерации ЗМ реализуется в следующих условиях:

ток секции усиления, А: I_pump__min<I_pump<I_{pump_max};

управляющий сигнал на секцию управления не подан: ΔU_dr=0;

внутренние оптические потери ЗМ при ΔU_dr/=0, см^-1: ;

пороговое условие генерации ФПМ не выполнено:

;

пороговое условие генерации ЗМ выполнено:

;

условие генерации ЗМ:

,

мощность, излучаемая инжекционным лазером: P_out≈0

Режим генерации ФПМ реализуется в следующих условиях:

ток секции усиления, А: I_pump__min<I_pump<I_{pump_max};

обратное напряжение секции управления подано, В:

;

внутренние оптические потери ЗМ при ,

гм^-1: ;

пороговое условие генерации ФПМ выполнено:

;

пороговое условие генерации ЗМ не выполнено:

;

условие генерации ФПМ:

,

мощность, излучаемая инжекционным лазером, Вт:

, P_out>0

Настоящий инжекционный лазер по первому способу работает следующим образом. К первому омическому контакту 4 секции 1 усиления подается прямое напряжение, обеспечивающее необходимое значение тока I_pump. Величина тока I_pump в соответствии с (1) определяет значение выходной оптической мощности P_out. Для формирования управляемой последовательности импульсов необходимо на секцию 2 управления подавать управляющий сигнал в виде тока инжекции ΔI_dr, обеспечивающий переключение лазерной генерации с ФПМ на ЗМ. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда Р_out≈0. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.2.

Настоящий инжекционный лазер по второму способу работает следующим образом. К первому омическому контакту 4 секции 1 усиления подается прямое напряжение, обеспечивающее необходимое значение тока I_pump. Для формирования управляемой последовательности импульсов необходимо на секцию 2 управления подавать управляющий сигнал в виде обратного напряжения , обеспечивающий переключение лазерной генерации с ЗМ на ФПМ. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда выходная оптическая мощность Р_out>0 и ее значение определяется величиной I_pump из соотношения (1). Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.3.

Пример 1

Известно, что непрерывная выходная оптическая мощность на уровне 10 Вт достигается в инжекционных лазерах на основе асимметричных гетероструктур при ширине области усиления 100 мкм. Для реализации настоящего инжекционного лазера для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и ЗМ была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой GaAs толщиной 1,7 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In_0.24Ga_0.74As толщиной 8 нм, смещенную относительно центра волноводного слоя на 0,2 мкм. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности (Р_out) не менее 10 Вт выбрали ширину секции 1 усиления равной 100 мкм. Длину настоящего инжекционного лазера выбрали 2 мм из условия наибольшего значения дифференциальной эффективности для ФПМ. Значение пиковой выходной оптической мощности 10 Вт достигалось при накачке секции 1 усиления 1 током 12,5 А. Длина секции управления 2 определялась длиной секции усиления 1. Ширина секции 2 управления выбиралась минимальной для условия сохранения порогового значения дифференциальной эффективности ФПМ при пиковой выходной оптической мощности 10 Вт и составила 150 мкм. Элемент 3, обеспечивающий электрическую изоляцию первого омического контакта 4 от второго омического контакта 5, был сформирован протравленной в p-эмиттере до границы с волноводным слоем мезаканавкой, что давало сопротивление между омическим контактом 4 и 5 более 1кОм. Элемент 6, обеспечивающий оптическую связь секции усиления 1 и секции управления 2, был сформирован общим волноводным слоем. Резонаторы для ФПМ и ЗМ обеспечивались естественно сколотыми гранями 7, 8, 9, 10. Амплитуда тока секции 2 управления (ΔI_dr) выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации ЗМ и составила 300 мА.

Далее к первому омическому контакту 4 секции 1 усиления подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 11,5 А и выходную оптическую мощность 10 Вт. Для формирования управляемой последовательности импульсов ко второму омическому контакту 5 секции 2 управления подавался управляющий сигнал в виде тока инжекции амплитудой 300 мА. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда Р_out≈0. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.2.

Пример 2

Из работы [А. Pikhtin, S.O. Slipchenko, Z.N. Sokolova, A.L. Stankevich, D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov and Zh.I. Alferov “16 W continuous-wave output power from 100-µm-aperture laser with quantum well asymmetric heterostructure”, Electronics Letters vol. 40, no. 22, 28th October, 2004, p.1413-1414] известно, что непрерывная выходная оптическая мощность на уровне 10 Вт достигается в инжекционных лазерах на основе асимметричных гетероструктур при ширине области усиления 100 мкм. Для реализации настоящего инжекционного лазера для второго способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и ЗМ была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой GaAs толщиной 1,7 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером Al_0.3Ga_0.7As n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя In_0.24Ga_0.74As толщиной 8 нм, смещенную относительно центра волноводного слоя на 0.2 мкм. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности (P_out) не менее 10 Вт выбрали ширину секции 1 усиления равной 100 мкм. Длину инжекционного лазера выбрали 2 мм из условия наибольшего значения дифференциальной эффективности для ФПМ. Исследования обычных инжекционных лазеров показали, что значение пиковой выходной оптической мощности 10 Вт достигается при накачке секции 1 усиления током амплитудой 12,5 А. Длина секции 2 управления определялась длиной секции 1 усиления. Ширина секции 2 управления выбиралась максимальной для сохранения генерации ЗМ при токе накачки 11,5 А и составила 100 мкм. Элемент 3, обеспечивающий электрическую изоляцию первого омического контакта 4 от второго омического контакта 5, был сформирован протравленной в p-эмиттере до границы с волноводным слоем мезаканавкой, что давало сопротивление между омическим контактом 4 и 5 более 1кОм. Элемент 6, обеспечивающий оптическую связь секции усиления 1 и секции управления 2, был сформирован общим волноводным слоем. Резонаторы для ФПМ и ЗМ обеспечивались естественно сколотыми гранями 7, 8, 9, 10. Амплитуда обратного напряжения секции 2 управления выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации ЗМ и составила 50 В. Далее к первому омическому контакту 4 секции 1 усиления подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 11,5 А и выходную оптическую мощность 10 Вт. Для формирования управляемой последовательности импульсов ко второму омическому контакту 5 секции 2 управления подавался управляющий сигнал в виде обратного напряжения амплитудой 50 В. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда P_out=10 Вт. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.3.