Введение к работе
В диссертацию включены результаты исследований, выполненных в 1993-1996 гг. и посвященных изучению спектральных и динамических характеристик излучения полупроводниковых инжекционных лазеров и суперлю.минесцентных диодов на основе квантоворазмерных гетероструктур.
Актуальность темы. Полупроводниковые инжекционные лазеры (ПЛ) привлекают к себе пристальное внимание ученых, исследователей и разработчиков оптоэлектронной аппаратуры благодаря очевидным преимуществам по сравнению с лазерами других типов. Это. прежде всего. высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в когерентный свет, большой коэффициент усиления, малая инерционность, возможность стыковки с волоконными световодами. миниатюрность конструкции. В настоящее время ПЛ нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники, да и быт человека сегодня трудно представить без применения этих источников света (достаточно упомянуть CD-ROM, оптические сканеры, проигрыватели компакт-дисков, системы передачи и обработки информации). Наибольший практический интерес представляют ПЛ с квантоворазмерными активными слоями. По сравнению с традиционными гетеролазерами с «объемным^ активным слоем инжекционные лазеры на основе однослойных и многослойных квантоворазмерных структур (КРС) обладают рекордно низкими пороговыми токами, относительно слабо зависящими от температуры, более высокой внешней эффективностью, простотой получения одночастотного режима генерирования, большим быстродействием в условиях прямой токовой модуляции и большим диапазоном перестройки длины волны излучения. Данные преимущества ставят актуальной задачу проведения экспериментальных исследований спектральных и динамических характеристик излучения полупроводниковых источников света на основе квантоворазмерных гетероструктур, что исключительно важно для решения широкого круга практігческих задач.
Одночастотные ПЛ широко используются в спектроскопии, когерентной оптической связи, интерферометрии, голографии. Для обеспечения одночастотного режима генерирования часто используются внешние и интегрально-оптические спектрально-селективные элементы. В последние годы благодаря использованию гетероструктур с квантоворазмерными слоями получено высокоэффективное генерирование инжекционных лазеров с
традиционным плоским резонатором Фабри-Перо [1]. часто сопровождающееся режимом автостабилнзации доминирующей продольной моды. Основным физическим механизмом, ответственным за подобное поведение ПЛ, является взаимодействие продольных мод в лазере, приводящее к оптическим нелинейностям коэффициента усиления [2,3]. Проведение экспериментальных исследований в данном направлении является весьма актуальным для более полного понимания физики инжекционных лазеров и создания гетероструктур. обладающих лучшими эксплуатационными характеристиками.
Суперлюминесцентные диоды (СЛД), совмещающие в себе ряд достоинств ПЛ и светодиодов, являются оптимальными источниками излучения для ряда практических применений. Это. в первую очередь, волоконно-оптические датчики различных типов, включая гироскопы, а таюке специализированные оптические линии связи с повышенными требованиями к амплитудным шумам передатчиков. В таких устройствах как интерферометры «белого света». оптические рефлектометры и томографы сверхвысокого разрешения основным требованием к источнику излучения является совмещение высокой яркости и широкого оптического спектра (низкой когерентности). Использование в качестве подобных источников света СЛД на основе КРС обещает значительные преимущества по сравнению с СЛД на основе традиционных «объемных» гетероструктур, что связано с более широким спектром рекомбинационного спонтанного излучения и оолыяеи полосой оптического усиления в результате расщепления энергетического спектра электронов и дырок в КРС на подзоны [4]. Анализ специальной литературы [5,6,7] подтверждает важность и практическую значимость задач, связанных с созданием и исследованием СЛД, обладающих высокой выходной оптической мощностью и низкой длиной когерентности.
Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) с изолированными участками инжекции в общем резонаторе, впервые предложенные 30 лет назад, по сей день привлекают внимание исследователей и разработчиков оптоэлектронной аппаратуры. Как известно, многосекционные ЛД значительно превосходят традиционные ЛД с однородной инжекцией по функциональным возможностям. В зависимости от способа включения, токов накачки, вида и способа подачи управляющих сигналов могут качественно изменяться спектральные, мошностные и динамические характеристики выходного оптического сигнала многосекционного ЛД.
В традиционной электронике используется множество
многофункциональных элементов и схем. В оптоэлектроннке такой подход к элементной базе пока не получил должного распространения, несмотря на то. что множество практических применений выдвигает широкий набор требований к параметрам излучения, которые часто не могут быть реализованы при использовании ПЛ с однородной инжекцией. Очевидно, что многосекшюнные ПЛ могут стать основой многофункциональных полупроводниковых источников света для новых поколений оптоэлектронных систем. В качестве примера можно привести интенсивно разрабатываемые системы оптической памяти на лазерных компакт-дисках, допускающие многократную перезапись информации, сети волоконно-оптических датчиков различных типов, нуждающиеся в полупроводниковых излучателях с качественно различными характеристиками. Аналогичные примеры можно привести также из области оптической метрологии, интерферометрии, лазерной медицины и т.д. Существование определенного дефицита публикаций на тему использования многосекционных ЛД как многофункциональных источников излучения [8], при наличии такой широкой сферы практических применений, делает актуальным задачу проведения исследований в этом направлении.
Цель работы заключается в исследовании спектральных и динамических характеристик излучения іПЛ и СЛД на основе квантоворазмерных гетероструктур.
Задачи работы.
-
Экспериментальное изучение спектральных характеристик излучения одночастотньгх полупроводниковых инжекционньгх лазеров на основе КРС при стационарной инжекции.
-
Экспериментальное изучение мощностных, спектральных и поляризационных характеристик излучения СЛД на основе КРС, сравнение результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами спектров спонтанного испускания, оптического усиления и суперлюминесценции.
-
Исследование мошностных, спектральных и динамических характеристик излучения многофункционального излучателя на основе трехсекционного гетеролазера.
Научная новизна. 1. Проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик излучения инжекционных лазеров на основе GaAs/AlGaAs- и InGaAs GaAs-гетероструктур с квантоворазмерными активными слоями и монолитным
плоским резонатором в условиях стационарной ннжекции.
-
Экспериментально показана сильная корреляция а-фактора спектрального уширения линии излучения с параметрами одночастотного режима генерирования.
-
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование мощностных, спектральных и поляризационных характеристик СЛД на основе (GaAl)As-гетероструктур с раздельным ограничением и квантоворазмерным активным слоем.
-
Оптимизация режима возбуждения СЛД в условиях комбинированной накачки (суперпозиции постоянного и импульсного токов инжекции) позволила экспериментально получить излучение с экстремально широким усредненным оптическим спектром - ДА.=98 нм. что соответствует длине когерентности менее 7 мкм.
-
Проведено экспериментальное исследование мощностных. спектральных и динамических характеристик излучения многофункциональных трехсекционных ЛД на основе (GaAl)As-reTepocTpyKTyp с раздельным ограничением при различных схемах включения и различных управляющих сигналах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Экспериментально обнаружена сильная корреляция степени автостабилизации одночастотного режима генерирования с величиной а-факгора спектрального уширения. В ЛД традиционной конфигурации без дополнительных мер спектральной селекции на основе напряженной квантоворазмерной гетероструктуры в системе (InGa)As с величиной сс<2 получено непрерывное одночастотное генерирование с выходной мощностью более 100 мВт и степенью подавления боковых продольных мод более 30 дБ.
-
СЛД на основе однослойных квантоворазмерных структур не уступают традиционным СЛД на основе «объемных» гетероструктур по основным выходным параметрам и при этом существенно превосходят их по ширине спектральной линии. Однако форма спектра и степень поляризации их излучения сильно зависят от конфигурации диода и уровня накачки, что требует специальной оптимизации.
-
Формой усредненного спектра излучения КРС СЛД можно управлять в широких пределах путем использования комбинированной (суперпозиции импульсной и непрерывной) токовой накачки или ннжекции спектрально-согласованного оптического сигнала и активный световод СЛД. В спектральном
диапазоне 820 нм возможно получение выходного излучения с полушириной спектра до 100 им, что соответствует длине когерентности менее 7 мкм. Такие излучатели, совмещающие в себе яркость инлсекционного лазера и низкую когерентность светодиода являются оптимальными для многих практических применений.
4. Многофункциональный излучатель на основе трехсекционного гетеролазера в зависимости от схемы включения и режима накачки позволяет реализовать практически все известные для ЛД режимы генерирования, а именно: усиленное спонтанное испускание (суперлюминесценцию), стационарное генерирование, включая одночастотное, автомодуляцию (регулярную и хаотическую), генерирование пикосекундных импульсов за счет модуляции добротности, оистабильность (стационарную и автомодуляционную), а также непрерывную перестройку частоты и синхронизацию мод (при нанесении просветляющего покрытия и помещении во внешний резонатор).
Личное участие автора выразилось в создании автоматизированной установки для измерения а-фактора спектрального уширения линии генерации и написании управляющей программы, в проведении исследований спектральных и динамических характеристик излучения ПЛ и СЛД на основе квантоворазмерньгх гетероструктур.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 5 Международных научных конференциях. На основе результатов исследований СЛД и многофункциональных трехсекционных гетеролазеров изготовлены образцы светоизлучающих модулей, что отражено в соответствующем акте практического использования результатов диссертации.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 143 стр. машинописного текста, в том числе 47 рисунков, 132 библиографические ссылки. В конце диссертационной работы приведены акт практического использования результатов диссертации и рекламный проспект светоизлучающих модулей, разработанных на основе проведенных исследований.
