Введение к работе
Актуальность темы.
На сегодняшний день наиболее широкое применение полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) находят в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ) [1]. Использование ПОУ в ВОСПИ не ограничивается ретрансляторами и приемными устройствами. Они также широко применяются в качестве модуляторов, логических затворов, переключателей, маршрутизаторов, нелинейных конверторов [2, 3]. В последние годы широкое распространение получили локальные ВОСПИ, в которых используется излучение «ближайшего» ИК-диапазона спектра 800-1000 нм, однако, для этих систем ПОУ пока не востребованы.
ПОУ спектрального диапазона 750-1100 нм применяются, главным образом, в качестве выходных усилителей для различных маломощных лазерных систем, а также в качестве активных элементов инжекционных полупроводниковых лазеров с внешним резонатором (ИЛВР). В частности, ПОУ во внешнем кольцевом оптоволоконном резонаторе позволяет реализовать гироскоп (ВОГ) на основе эффекта Саньяка [4]. Используя в ИЛВР различные спектрально-селективные элементы, можно реализовать быстроперестраиваемые лазеры для исследования биологических тканей и различных материалов методами оптической когерентной томографии (ОКТ) [5].
Для решения некоторых задач спектроскопии и интерферометрии требуются источники достаточно яркого излучения со спектральной шириной линии от десятых долей до единиц нм. Такие источники реализуются на базе ПОУ и волоконных брэгговских решеток (ВБР), при записи которых можно с высокой точностью обеспечить требуемые характеристики спектра отражения [6].
На оптоэлектронном рынке большую долю составляют ПОУ спектрального диапазона 1300-1600 нм. Гораздо слабее представлены ПОУ "ближайшего" ИК-диапазона. Поэтому цель данной работы заключалась в разработке ПОУ, не представленных на оптоэлектронном рынке, или ПОУ с выходными параметрами, превосходящими их аналоги, коммерчески доступные на сегодняшний день, а также в разработке новых приборов на их основе.
В рамках диссертационной работы велись исследования по следующим направлениям:
разработка новых типов и усовершенствование ПОУ бегущей волны ближнего ИК-диапазона;
создание широкополосных ПОУ с различными центральными длинами волн, путем исследования и оптимизации квантоворазмерных гетероструктур (КРС), геометрии активных элементов и режимов работы ПОУ;
создание достаточно надежных ПОУ с повышенной выходной мощностью;
разработка узкополосных двухпроходных суперлюминесцентных диодов (СЛД) на базе ПОУ и волоконно-оптических брэгговских решеток (ВБР);
исследование и разработка быстроперестраиваемых лазеров на основе ПОУ-модулей и управляемых спектральных фильтров, акусто-оптических (АОПФ) [7] и типа Фабри-Перо (ПФФП), во внешнем оптоволоконном резонаторе;
исследование систем задающий генератор-усилитель мощности (МОРА), содержащих разработанные ПОУ.
Научная новизна.
К основным результатам, полученным в ходе работы по теме диссертации, принадлежат:
Разработаны оригинальные ПОУ-модули, полосы усиления которых совместно перекрывают спектральный диапазон 760-1 ЮОнм;
разработан новый тип узкополосного источника света с шириной спектральной линии порядка 1 нм на базе ПОУ и ВБР;
исследована МОРА-система на основе СЛД и ПОУ с клиновидным активным каналом с центральной длиной волны 850нм, полушириной 14нм и выходной мощностью на уровне 0.5Вт из стандартного многомодового волоконного световода (МВС);
исследованы быстроперестраиваемые (свиппирующие) лазеры спектральных диапазонов 780-880 нм и 960-1080 нм с мгновенной шириной линии менее 0,1 нм, скоростью перестройки до 10 нм/с и выходной мощностью в единицы мВт из одномодового волоконного световода (ОВС);
исследованы МОРА-системы с перестраиваемыми лазерами спектральных диапазонов 825-875 нм и 1030-1090 нм в качестве задающих генераторов, способные поддерживать выходную мощность из ОВС на уровне 50 мВт.
Реализация и внедрение результатов работы.
Большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» коммерчески реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения ПОУ-модулей серий SOA-352, SOA-372, SOA-382/HP, SOA-472, SOA-522. Коммерчески реализованы новый быстроперестраваемый лазерный источник света BroadSweeper-1060 и усилитель оптической мощности Booster-840.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Biomedical Optics (BIOMED), St. Petersburg, Florida (2008); 7th Belarasian-Russian Workshop "Semiconductor
Lasers and Systems" Minsk (2009); XII Международной конференции «Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2010); 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), Sevastopol (2010); 10th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), Sevastopol (2010), XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), Wroclaw, Poland, (2011); llth International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Kharkov, Ukraine (2011).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ, и 1 - в журнале Proceedings of SPIE. Список публикаций приведен в заключительной части автореферата.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработаны ПОУ на основе лазерных гетероструктур (наноструктур) с квантоворазмерными активными слоями из (GaAl)As, GaAs и (InGa)As с полосами усиления 750-820 нм, 800-870 нм, 830-910 нм, 885-990 нм и 960-1100 нм. Исследованы передаточные характеристики лабораторных макетов ПОУ-модулей с входными и выходными ОВС. Их коэффициент усиления малого входного сигнала составлял 25-35 дБ, степень подавления суперлюминесцентного фона в режиме насыщения - 30-50 дБ, выходная оптическая мощность - до 30-70 мВт.
ПОУ с клиновидным активным каналом спектрального диаппазона 820-870 нм обеспечивает непрерывную выходную оптическую мощность до 500 мВт.
Разработаны источники света высокой яркости (выходная оптическая мощность из ОВС - 5-8 мВт) с длиной волны 1062нм и ширинами спектральных линий 0,5 нм и 2,5 нм на основе ПОУ и ВБР. При их использовании в качестве задающих генераторов в МОРА системе реализована выходная мощность до 50 мВт из ОВС.
Использование разработанных ПОУ-модулей в качестве активных элементов перестраиваемых лазеров с управляемыми спектральными фильтрами во внешних оптоволоконных линейных и кольцевых резонаторах позволяет обеспечить скоростную спектральную перестройку, включая линейное свиппирование длины волны с высокой точностью и воспроизводимостью. Исследованы лабораторные макеты таких лазеров, перестраиваемых в спектральных диапазонах 780-880 нм и 1030-1080 нм со скоростью до 10 нм/сек при мгновенной ширине спектральной линии менее 0,1 нм.
Структура и объем работы.
