Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инжекционные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. 10
1.1. Области применения инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке 10
1.2. Особенности конструкции инжекционных лазеров с волоконной решеткой во внешнем резонаторе 17
1.3. Ширина линии генерации инжекционных лазеров с внешним резонатором на ВБР 22
1.4. Возможности применения ЛД с ВБР в качестве перестраиваемого источника излучения 26
1.5. Анализ методов получения непрерывно перестраиваемого одночастотного режима генерации в инжекционных лазерах 28
Глава 2. Экспериментальные установки, методики исследований, образцы лазеров и волоконных решеток 33
2.1. Конструкция и параметры исследованных образцов лазеров, лазерных чипов и волоконных решеток 33
2.1.1. Гибридные лазеры промышленной сборки 33
2.1.2. Лазерные чипы и волоконные решетки для создания перестраиваемых одночастотных гибридных лазеров для спектроскопических применений 37
2.2. Методика исследования ватт-амперных характеристик 41
2.3. Установка и методика исследований одночастотного режима с узкой линией и его перестройки с помощью волоконных интерферометров Маха-Цендера 46
2.4. Установка и методика исследований перестройки частоты генерации с помощью эталона Фабри-Перо 53
2.5. Изготовление микролинзы на торце волоконного световода 55
Глава 3. Исследование когерентных свойств излучения промышленных образцов ЛД с ВБР 59
3.1. Измерение оптических характеристик волоконных брэгговских решеток в составе гибридного резонатора. Спектры генерации инжекционных лазеров вблизи порога 59
3.2. Ватт-амперные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором и зависимости мощности генерации от температуры. Модовый состав и спектры генерации 64
3.3. Исследование одночастотного режима с узкой линией генерации. Когерентные свойства и перестроечные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором на волоконных решетках 73
3.4. Обсуждение экспериментальной зависимости перестройки частоты генерации от тока накачки в ЛД с ВБР 86
Глава 4. Исследования по разработке и созданию новых инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке 90
4.1. Предварительные исследования, по созданию ЛД с ВБР с диапазоном непрерывной перестройки более 30 ГГц 90
4.2. Создание широко перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения метана 96
4.3. Создание перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения аммиака 104
4.4. Ширина линии генерации созданного лазерного модуля на длину волны 1=1,5225 мкм 113
Заключение 116
Литература 118
- Особенности конструкции инжекционных лазеров с волоконной решеткой во внешнем резонаторе
- Установка и методика исследований одночастотного режима с узкой линией и его перестройки с помощью волоконных интерферометров Маха-Цендера
- Ватт-амперные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором и зависимости мощности генерации от температуры. Модовый состав и спектры генерации
- Создание широко перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения метана
Введение к работе
Развитие инжекционных полупроводниковых лазеров на протяжении последних 30 лет тесно переплетается с развитием волоконной оптики. Перспективы, открываемые волоконно-оптической связью [1], послужили стимулом для бурного роста числа исследований и практических разработок полупроводниковых лазеров как источников излучения для волоконно-оптических применений. За это время было решено множество проблем, таких как эффективная стыковка активной области лазера с волоконно-оптическим трактом, создание инжекционных лазеров на длины волн около 1,3 и 1,55 мкм, попадающих в области прозрачности волоконных световодов, достижение минимальных потерь в кварцевых волокнах, высокочастотная модуляция выходного излучения лазера током накачки и т.д.
Одной из важнейших задач для многих практических и научных применений инжекционных лазеров является проблема получения одночастотного режима генерации и возможность управления этим режимом. Именно одночастотный режим является необходимым условием для таких применений, как интерференционные датчики различных физических величин, системы оптической связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектроскопия молекул и т.д.
Существует несколько методов обеспечения одиочастотной генерации в инжекционных лазерах [2, 3, 4]. Среди них следует особо выделить метод, основанный на использовании в качестве зеркала во внешнем резонаторе брэгговской решетки показателя преломления, записанной в одномодовом волоконном световоде. При простоте реализации по сравнению с другими методами, в таком подходе сочетаются преимущества инжекционных лазеров и волоконных брэгговских решеток, а именно: компактные размеры
простота модуляции током накачки
высокая спектральная селективность
естественное сопряжение с волоконно-оптическими технологиями
Лазерные диоды с волоконной брэгговской решеткой (ЛД с ВБР) во внешнем резонаторе изучаются с середины 80-х годов [5, 6, 7, 8] и получили в литературе название гибридных лазеров. К настоящему времени известно, что в таких лазерах можно получить одночастотный режим с узкой (6v«l кГц [4, 19]) линией генерации. Продемонстрировано стабилизирующее влияние волоконной решетки на длину волны генерации лазера. В последние годы проводятся интенсивные исследования ЛД с ВБР ввиду перспективы их применения в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом решаются задачи генерации солитонных импульсов с высокой частотой следования, а также задачи удержания длины волны генерации в жестко заданных спектральных интервалах (ДХ,=4А), отведенных под каналы передачи данных в DWDM-системах связи.
В то же время, остаются малоизученными некоторые вопросы, представляющие интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Необходимо отметить, что на сегодняшний день не проводилось целенаправленных исследований лазеров данной конструкции на предмет получения одночастотного режима генерации, непрерывно перестраиваемого током накачки в достаточно широком (более 30 ГГц) частотном диапазоне. Вопросы, связанные с перестройкой частоты генерации в течение импульса накачки (чирп частоты) если и обсуждаются, то только как нежелательный эффект, который должен быть сведен к минимуму. Между тем, создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволило бы говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность применять такие
7 лазеры в молекулярной спектроскопии, датчиковых системах детектирования отдельных газов и т.д.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию перестроечных характеристик и когерентных свойств инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. В работе рассматривается вопрос о ширине линии генерации таких лазеров. Изучается перестройка частоты генерации током накачки в режиме с узкой линией генерации. Предложен и впервые реализован новый подход к созданию перестраиваемых ЛД с ВБР для целей диодной лазерной спектроскопии. При этом продемонстрирована возможность применения данных лазеров для регистрации газов имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (А~0,7-И,7 мкм).
Содержательная часть диссертационной работы состоит из четырех глав.
В Главе 1 дан обзор литературы по инжекционным лазерам с волоконной решеткой во внешнем резонаторе. Обсуждаются особенности конструкции резонатора ЛД с ВБР и области применения таких лазеров. В этой главе также приводится сравнительный анализ методов получения одночастотного перестраиваемого режима генерации в инжекционных лазерах. Подробно описаны основные идеи по созданию таких лазеров, указаны возможные области применения. Рассмотрены основные теоретические представления о ширине линии генерации и влияющих на нее факторов.
Особенности конструкции инжекционных лазеров с волоконной решеткой во внешнем резонаторе
Необходимым пунктом на пути к пониманию процессов, происходящих в инжекционных лазерах с волоконной решеткой во внешнем резонаторе, является теоретическое рассмотрение, учитывающее особенности конструкции резонатора исследуемого типа лазеров. Диодный лазер, который состыкован с одномодовым световодом, содержащим волоконную брэгговскую решетку, фактически имеет сложный (составной) резонатор (рис.2). Теоретическое изучение свойств такого резонатора удобно проводить, рассматривая его как простой резонатор типа Фабри-Перо, в котором задним зеркалом является скол диода п, а переднее зеркало представляет собой резонатор, образованный сколом г2 и волоконной решеткой. Найдем амплитудный коэффициент отражения переднего зеркала г = r(k)el (Х). Для этого предположим, что со стороны грани п на переднее зеркало падает электромагнитная волна с амплитудой Е,п, и вычислим амплитуду Eout отраженной волны.
Отраженная волна формируется в результате сложения волн образовавшихся в результате многократных отражений падающей волны в зеркале-резонаторе. При этом суммирование амплитуд волн где /2 = у1 " г пропускание по амплитуде переднего скола диода, Tf и Гь - эффективности (по амплитуде) ввода излучения из активной области в 1к волокно и обратно, S 2ие( т - фаза, набегаемая при полном обходе А, внешнего резонатора. Знак «минус» перед амплитудным коэффициентом отражения Г2 в вышеприведенном выражении указывает на то, что соответствующее отражение происходит при переходе излучения из оптически менее плотной среды (воздух) в оптически более плотную (полупроводник) и сопровождается изменением фазы поля на тс. Спектральные характеристики волоконной решетки описаны с помощью зависящих от длины волны коэффициента отражения г3(Х) и фазы ср(Я-), набегающей при отражении от решетки. Точные аналитические выражения этих функций для различных типов ВБР представлены в литературе, посвященной волоконным решеткам и брэгговским структурам [2]. Таким образом, амплитудный коэффициент отражения зеркала-резонатора имеет вид:
Это выражение для коэффициента отражения г с помощью несложных преобразований можно привести к виду: Теперь рассмотрим условия генерации в резонаторе длиной 1, заполненном активной средой с усилением по интенсивности g и имеющем коэффициенты отражения зеркал Г] и г(А.)е,9 \ Возникновение генерации возможно только на тех длинах волн, для которых амплитуда Ео и фаза поля при полном обходе резонатора приобретают свои исходные значения, т.е. где у - потери мощности на рассеяние в активной среде, m - целое число. Выражения (1.4) и (1.5) определяют соответственно пороговый коэффициент усиления и частоты продольных мод резонатора. Выразив усиление g из уравнения (1.4) получим: Спектральная зависимость порогового коэффициента усиления согласно (1.6) для случая r2=0, r3(Asp)=0,7 (т.е. R3=50%) и ДЯ.ВЕР=0,5 нм представлена на рис.3. Возникновение генерации будет происходить на частотах близких к минимальному порогу. Помимо основного минимума на этом графике можно видеть ряд побочных минимумов коэффициента усиления. Для обеспечения одночастотного режима необходимо выполнение двух условий. Во-первых, разница Ag основного и вторичного минимумов коэффициента усиления должна быть достаточно большой, чтобы избежать возбуждения боковых мод. Во-вторых, ширина основного минимума g должна позволять селектировать только одну моду гибридного резонатора. Существенное влияние на спектральные свойства ЛД с ВБР оказывает коэффициент отражения г2 передней грани лазерного диода.
При увеличении г2 разность коэффициентов усиления основной и боковой моды Ag начинает уменьшаться, что показано на рис.4. При расчете этой зависимости было использовано значение эффективности ввода по мощности г = 0,25, которое близко к реальным значениям, имеющим место при проведении экспериментальной части данной работы. Если г2 станет слишком большим, то собственный резонатор диода будет доминировать и получить одночастотную генерацию не удастся. Из литературных данных [3] известно, что для обеспечения динамически одночастотного режима генерации (т.е. одночастотного режима сохраняющегося при модуляции лазера током накачки) разность коэффициентов усиления основной и боковой мод должна превышать 15-20 см"1. Как видно из рис.4, такие значения Ag гарантированно достигаются, если коэффициент отражения R2 (R2 = r2 ) не превышает 0,03-0,05. Ширина линии генерации является одной из самых важных характеристик лазера, которая имеет определяющее значение для практических приложений, использующих когерентные свойства лазерного излучения. От нее зависит чувствительность интерферометрических измерительных систем, спектральное разрешение диодных лазерных спектрометров и т.д. В научной литературе имеется множество публикаций посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям ширины линии генерации полупроводниковых лазеров, как без внешнего резонатора [31], так и с внешним резонатором [32, 33].
Установка и методика исследований одночастотного режима с узкой линией и его перестройки с помощью волоконных интерферометров Маха-Цендера
Измерения ширины линии генерации и исследование перестроечных характеристик лазеров проводились с помощью экспериментальной установки, изображенной на рис.П. Источник питания 3 лазера, позволял подавать на исследуемый лазер 2 как постоянный ток, так и ток пилообразной формы со скоростью нарастания 20 мА/мс. Питание постоянным током осуществлялось при исследовании перестройки длины волны генерации температурой и током накачки. При измерении ширины линии генерации и определении диапазона непрерывной перестройки частоты генерации лазер работал в пилообразном режиме.
Очень важным моментом при исследовании когерентных свойств лазеров является максимальное подавление эффектов паразитной оптической обратной связи, т.е. влияния слабых отражений излучения от торцов световодов и оптических элементов измерительной системы на исследуемый лазер. С этой целью излучение с волоконного выхода лазера коллимировалось микрообъективом 6 и пропускалось через оптический изолятор 7 на ячейке Фарадея, обеспечивающий оптическую развязку не менее 30 дБ. Чтобы устранить паразитное отражение от скола волоконного выхода лазера, этот скол был помещен в кювету 4, заполненную иммерсионной жидкостью (глицерином). Выходное окно кюветы, удаленное на несколько миллиметров от скола, было наклонено под углом -10, благодаря чему значительно уменьшалась доля излучения, возвращаемая в волокно при отражении от границ раздела глицерин-стекло и стекло-воздух. На выходе из изолятора излучение с помощью микрообъектива 8 вводилось в одиомодовое волокно и посредством направленного ответвителя Y-типа делилось пополам и разводилось по плечам волоконного интерферометра Маха-Цендера 9. Разность плеч изменялась от ДЬ=10 м до AL=I0 км путем включения отрезка волокна соответствующей длины в одно из плеч интерферометра. С помощью ответвителя Х-типа излучение из обоих плеч интерферометра смешивалось и подавалось одновременно на анализатор спектра MS96A (10) и фотоприемник 11, сигнал с которого поступал на осциллограф 5.
Анализатор спектра с разрешением 1А использовался для исследования перестроечных характеристик Х(Т) и A,(JH) когда лазер работал в непрерывном режиме. Измерения ширины линии генерации осуществлялись по видности V интерференционной картины, оперативно наблюдаемой на осциллографе. При этом лазер работал в пилообразном режиме, что приводило к сканированию частоты лазера (в той области, где лазер работал в одночастотном режиме) и образованию развернутой во времени интерференционной картины биений сигнала на выходе волоконного интер ферометр а.
Контролируемое изменение температуры и ее стабилизация с точностью -0,01 С производились с помощью встроенного в лазерный модуль элемента Пельтье и электронной схемы стабилизатора-регулятора температуры, приведенной на рис.10.
Таким образом, экспериментальная установка, показанная на рис.11, давала возможность измерять ширину линии генерации, исследовать перестройку длины волны генерации током накачки и температурой, снимать зависимости мощности генерации от температуры и тока накачки. В данной работе для исследования когерентных свойств излучения с узкими спектральными линиями использована волоконно интерферометрическая методика, описание которой можно найти в работе [38]. Она заключается в оптическом смешении и анализе интерферометрической картины двух частей исследуемого излучения, задержанных на время т друг относительно друга, как это имеет место в интерферометре Майкельсона или других подобных оптических приборах-спектроанализаторах. Временная задержка создавалась в одном из плеч интерферометра Маха-Цендера. При питании лазера пилообразным током частота линии генерации смещается, за счет этого изменяется разность фаз, набегаемая на разности плеч пДЬ. Результат интерференции подается на фотоприемник с фотодиодом как квадратичным детектором и наблюдается на осциллографе. Типичный вид интерферограммы приведен нарис.12.
Экспериментально измеряемой величиной является видность V интерференционной картины, которая связана со степенью когерентности исследуемого излучения у следующим соотношением: где Imax и Imin -максимальная и минимальная освещенности полос интерференции, Х-отношение интенсивностей її и 12 интерферирующих лучей. Если интерферирующие лучи имеют одинаковую поляризацию и равные интенсивности її — 12) то V=y. Для каждого Imax при нахождении видности значение Imin вычислялось как среднее арифметическое двух соседних минимумов интенсивности.
Чтобы правильно определить естественную ширину линии генерации, зная степень когерентности у, необходимо в установке подавить и/или отделить технические факторы уширения. Считается, что к техническим факторам уширения линии генерации относятся нестабильности температуры, тока накачки, вибрации и т.д., в то время как флуктуации внутренних параметров (спонтанное излучение, дробовой ток и т.д.) приводят к естественному уширению линии. Разделить эти два сорта факторов можно по времени их корреляции, так как флуктуации внутренних параметров имеют весьма малое время корреляции, а флуктуации внешних параметров являются сравнительно медленными. Для того, чтобы медленными техническими дрейфами частоты генерации и флуктуациями амплитуды исследуемого поля излучения можно было пренебречь, время наблюдения должно быть выбрано не очень большим, но значительно превышающим время задержки х. Поскольку в волоконных интерферометрах с AL=1- 10 км время задержки составляет т и 54-50 мкс, то измерения видности интерферометрической картины можно проводить за времена Т га 0,01-j-l с. Технические параметры стабилизаторов тока и температуры позволяли уверенно проводить необходимые измерения.
Ватт-амперные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором и зависимости мощности генерации от температуры. Модовый состав и спектры генерации
Режим работы исследуемых лазеров существенно зависел от температуры активной области. На рис.17а приведена ватт-амперная характеристика P(Jn) для лазера № 007, а точнее это семейство ватт-амперных характеристик при различных температурах, иллюстрирующих, как режим генерации с максимальной мощностью и минимальным порогом по току Jn да 60 мА, так и генерацию с минимальной мощностью и порогом }& « 70 мА. При оптимальной настройке на максимальную мощность генерации мощность излучения выше порога Jn да 60 практически линейно зависит от тока накачки JH в широком диапазоне JH = 60-И20 мА, что косвенно свидетельствует об одночастотном режиме генерации на одной продольной моде составного резонатора. Спектральные измерения с помощью оптического анализатора MS96A, а также анализ перестроечной характеристики с помощью волоконных интерферометров Маха-Цендера, действительно подтвердили, что в указанном широком интервале изменения тока накачки достигается одночастотныи режим с узкой спектральной линией Ду 10-И00 кГц, которая непрерывно перестраивается током накачки JH в этом диапазоне.
Аналогичные эффекты наблюдаются на ватт-амперной характеристике лазера №4 на длине волны около 1,3 мкм, показанной на рис.176. Минимальный порог генерации составляет Jn « 40 мА при оптимальной подстройке температуры и увеличивается на 5-10 мА при изменении температуры активной области. Ватт-амперные характеристики получены при питании лазеров током JH в пилообразном режиме с небольшой скоростью нарастания (20 мА/мс), когда за этими характеристиками удобно наблюдать с помощью осциллографа. Для лазера № 4 также существует оптимальный диапазон температур, при которых лазер работает в одночастотном режиме на одной продольной моде с узкой спектральной линией в относительно широком диапазоне изменения тока накачки JH « 40-80 мА без перескоков по другим модам. Сами по себе эти факты представляют большой интерес, поскольку лазеры демонстрируют непрерывно перестраиваемый одночастотныи режим с узкой линией, что очень важно для многих применений в волоконно-интерферометрических устройствах и волоконных высокочувствительных датчиках.
Исследования спектров генерации с разрешением 5АМА показали, что спектр генерации лазера № 007 с гибридным резонатором на ВБР может содержать как одну спектральную линию (рис. 18а), так и раздвоенную линию (рис. 186), а также и более сложную конфигурацию спектра из трехлиний. Спектральный состав излучения периодически изменялся в зависимости от температуры, а именно, одночастотный режим генерации сохранялся в температурном интервале порядка 1 С, а затем сменялся двухчастотным режимом, но через каждые ДТ 5С происходило восстановление одночастотного режима. Режимом работы лазера оказалось легко управлять и выбирать нужный режим генерации, в том числе и одночастотный с узким спектром. Степень подавления боковых мод в одночастотном режиме достигает 35 дБ, а длина волны генерации задается брэгговской длиной волны волоконной решетки, т.е. занимает стабильное с точностью до долей ангстрема спектральное положение. Такие характеристики одночастотного режима генерации в совокупности с удобством и простотой модуляции полупроводникового диода делают гибридные лазеры перспективными источниками излучения для волоконно-оптических систем связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом для устранения влияния собственного резонатора диода его требуется просветлять до остаточного коэффициента отражения 10"4[4, 15].
При больших токах накачки (вдвое выше порога) на спектрах генерации (см. рис. 18а) проявляются слабые сателлиты основной линии. Эти сателлиты отстоят от основной линии генерации на спектральный интервал кратный ЛЯ.=9,2 A (Av « 100 ГГц), поэтому они не могут соответствовать ни двум соседним модам собственного резонатора диода (ДХ=5,ЗА), ни вторичным максимумам волоконной решетки (АХ&2 А). Следует отметить, что вышеуказанные сателлиты не являются исключительной особенностью гибридных лазеров, поскольку наблюдаются и в одночастотных РОС-лазерах. Возникновение слабых сателлитов отстоящих от основной линии на спектральных интервалах кратных 100 ГГц скорее всего связано с внутризонными эффектами в активной области лазерного диода, поскольку только внутризонные процессы обладают достаточно высоким быстродействием (10" -И 0 с).
Вследствие того, что температура существенно влияет на режим генерации лазеров исследуемой конструкции, в частности на достижение действительно одночастотного режима с узкой линией, в работе были исследованы зависимости мощности генерации от температуры при некоторых фиксированных значениях тока накачки JH, начиная от надпороговых и вплоть до двух-трех-кратного превышения над порогом. На рис.19 приведены зависимости мощности генерации Р от температуры Т для лазера № 007 при различных токах накачки JH, который в данных измерениях выступал в виде параметра, В экспериментах лазер, исходно работавший при комнатной температуре Т 25С, охлаждался до температуры порядка 16С путем регулирования тока через элемент Пельтье. Из полученных зависимостей определяется ряд параметров, раскрывающих физику формирования модового состава излучения и характеризующих возможности по перестройке исследуемых лазеров при изменении тока накачки и температуры.
Создание широко перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения метана
В данной работе исследования возможности создания ЛД с ВБР для целей молекулярной спектроскопии проводились на примере двух газов: метана и аммиака. Выбор этих газов обусловлен важностью ряда практических задач непосредственно связанных с детектированием их линий поглощения.
Для анализа концентрации метана нами была выбрана линия R7 полосы поглощения 2УЗ, имеющая длину волны в максимуме поглощения около 1645 нм (6077,0 см ). Было решено работать именно с этой линией, поскольку она является одной из самых интенсивных в данной области спектра и имеет легко узнаваемую дублетную структуру. Контур линии R7 показан на рис.27.
Характерное значение спектральной ширины линий поглощения в ближнем ИК диапазоне (при атмосферном давлении и комнатной температуре) составляет около 3 ГГц, но поскольку линия R7 является дублетом, она имеет ширину на полувысоте около 6 ГГц. Для того чтобы создаваемый перестраиваемый ЛД с ВБР давал возможность не только детектировать метан, но и количественно определять его концентрацию, необходимо при сканировании контура линии выходить на нулевой уровень поглощения. Как можно видеть из рис.27, в нашем случае для этого требовался диапазон перестройки не менее ЗА, что по шкале частот эквивалентно Av = 30 ГГц (1 см"1).
Распространение области применимости ЛД с ВБР на молекулярную спектроскопию требует не только достижения широкой перестройки частоты генерации, но и перекрытия диапазона сканирования частоты генерации со спектральным контуром конкретной линии поглощения исследуемого газа. Для этого в процессе записи волоконных решеток одновременно со спектром их пропускания наблюдалась линия поглощения выбранного газа. Спектры пропускания двух из использованных волоконных решеток (№4-к№7), изготовленных для экспериментов по созданию ЛД с ВБР для регистрации метана, приведены на рис.28. На этом же рисунке показана линия поглощения R7, использованная в качестве репера при записи решеток. Волоконные решетки №4-г№7 имели ширину спектра отражения 4,5А, 5,5А, 7,0А и 8,бА соответственно, а коэффициент отражения на брэгговской длине волны составлял около Яз 0,5 для всех решеток. Более подробные данные об этих решетках приведены в табл.№1 главы 2. Исследования проводились с помощью экспериментальной установки и методики, описанной в 2.4.
Брэгговские длины волн волоконных решеток №4 и №5 совпадали с точностью до 0,1 А, но были смещены относительно центра линии поглощения на lA (—10 ГГц). Это привело к тому, что контур линии R7 прописывался не полностью, несмотря на то, что диапазон непрерывной перестройки, который удалось получить с помощью этих волоконных решеток, достигал Av я 15-7-20 ГГц. Волоконная решетка №6 позволяла получать одночастотный режим генерации с диапазоном перестройки частоты чуть более 20 ГГц, однако ввиду того, что спектральное положение этой решетки отличалось от центральной длины волны линии R7 на «2,5А, контур линии поглощения не был зарегистрирован. Таким образом, при создании широко перестраиваемых одночастотных ЛД с ВБР для целей газоанализа одним из ключевых моментов является совпадение брэгговской длины волны волоконной решетки и центральной длины волны линии поглощения с точностью лучше, чем 5X.= lA.
Наиболее оптимальной с точки зрения получения широкого диапазона непрерывной перестройки оказалась волоконная решетка №7. При подстыковке данной решетки к лазерному диоду №1 (Ьлд=200 мкм) удалось получить широко перестраиваемый. одночастотный режим генерации и полностью прописать линию поглощения R7. Экспериментально полученный контур линии поглощения R7 приведен на рис.29а. Снизу, на этом же рисунке показан сигнал, полученный на выходе эталона Фабри-Перо, Учитывая, что один период осцилляции соответствует перестройке частоты генерации на 5 ГГц из данного сигнала можно видеть, что диапазон непрерывной перестройки одночастотного режима генерации составил Av=35 ГГц. На рис.296 показаны спектры пропускания кювет с метаном, рассчитанные по данным, полученным из рис,29а.
Два контура линии поглощения, показанные на каждом из рис.29, получены при пропускании излучения ЛД с ВБР через две разные кюветы, каждая из которых имела длину 5 см. Более глубокий контур соответствует кювете №1, содержавшей чистый метан под давлением Р[=1 атм. Второй контур линии поглощения был прописан с помощью кюветы №2, давление метана в которой составляло Р2 « 0,5 атм. На обоих экспериментально полученных контурах прослеживается характерная дублетная структура линии поглощения R7 молекул метана. Тот факт, что при большем давлении метана в кювете дублет разрешается хуже, объясняется столкновительным уширением.
Анализ данных, отображенных на рис.29а, дает возможность вычислить скорость перестройки частоты генерации током накачки, поскольку частотный масштаб задается пиками пропускания эталона Фабри-Перо. График, построенный по этим данным и описывающий изменение частоты генерации во время линейного нарастания тока накачки, показан на рис.30.
Скорость перестройки dv/dJH характеризуется наклоном кривой и в момент возникновения перестраиваемого одночастотного режима генерации равна -0,36 ГГц/мА. Увеличение тока накачки приводит к тому, что скорость перестройки частоты генерации плавно возрастает вплоть до -1,25 ГГц/мА, что является значением характерным в режиме свободной генерации для диодных лазеров без спектрально селективных элементов в резонаторе (dv/dJH«-l ГТц/мА). При дальнейшем увеличении тока накачки происходит срыв одночастотного перестраиваемого режима. Такой характер изменения dv/dJ„ позволяет сделать вывод, что с возрастанием тока накачки роль волоконной решетки в формировании спектральных свойств ЛД с ВБР уменьшается. Иными словами, зарождение одночастотного перестраиваемого режима происходит в области максимума спектра отражения волоконной решетки и в процессе перестройки частота генерации смещается к краю спектра отражения ВБР в сторону меньших частот. Таким образом, эффективность связи активной области с внешним резонатором падает, что приводит к повышению скорости перестройки частоты генерации до значений характерных для лазерных чипов типа Фабри-Перо.
