Введение к работе
Актуальность темы. Общеизвестно, что в полосковых инжекционных пазерах без бокового оптического ограничения волноводный эффект в боковом Ст.е. параллельном активному слою D направлении является результатом совместного воздействия на профиль показателя преломления таких факторов, как инжекция неосновных носителей, разогрев активной области, возникающие механические напряжения и нелинейно - оптические явления, происходящие при взаимодействии излучения с активной средой лазера [1-3]. В то же время внимательный анализ существующих моделей инжекционных лазеров показывает, что не всем перечисленным факторам в равной степени уделялось внимание. Если самосогласованное воздействие интенсивности излучения и концентрации инжектированных носителей на показатель преломления ;реды, как вероятная причина явления пространственной неустойчивости излучения, исследовалось во многих работах и является неотъемлемой частью большинства предложенных к настоящему моменту времени моделей инжекционных лазеров, то вопросам, связанным с влиянием на показатель преломления активной среды происходящих в лнжекционных лазерах тепловых процессов, уделялось гораздо мень-иее внимание.
Фактически, в большей части ранних моделей наведенный теп-гсовыми процессами волновод не принимался во внимание. В тех ред--сих случаях С4-6], когда его влияние все же учитывалось, сравнительно малье значения температурного градиента, принимавшиеся при эасчетах, проявлялись лишь в весьма слабом и потому несущественном фокусирующем воздействии на моду излучения. В последующие годы интерес к тепловым эффектам в инжекционных лазерах в связи с іроблемой формирования пространственной структуры излучения возникал неоднократно. При этом, как правило, представления о "тем-іературном" волноводе оказывались весьма плодотворными при объяснении тех или иных явлений. В частности, возникновение адиабатического "температурного" волновода указывалось в качестве причины сужения и стабилизации моды излучения в плоскости р-n перехода в эежиме накачки двойными импульсами [71. Понятие индуцированного тепловыми процессами волновода было успешно использовано для объяснения явления аномальной задержки генерации в полосковых чазерах с одиночной квантовой ямой [8,9]. Авторам работ [10,11] ждалось продемонстрировать высокую чувствительность пространст-
венной структуры излучения лазеров с широкой активной областью і линеек лазерных диодов к изменениям в боковом температурном распределении.
Не вдаваясь в тонкости сравнительного анализа различных моделей и конкретных способов учета температурного вклада в волно-водный профиль показателя преломления, отметим одну существенную, общую для них деталь. Все без исключения модели, анализирующие влияние температурных градиентов, отводят тепловому воздействиі роль одного из факторов, оказывающих более или менее заметно* влияние на процесс формирования моды на пороге генерации, ж практически несущественных в надпороговом режиме генерации. I единственной известной нам модели [10], учитывающей теплові* эффекты самосогласованным образом и пригодной, таким образом, і описанию надпороговых явлений, основное внимание уделено моделированию влияния внешних источников тепла, в то время как возможное влияние тепловой генерации собственно в активном слое лазер; на надпороговую эволюцию лазерной моды оставлено без внимания.
Причины такого пренебрежительного отношения к роли тепловьс эффектов над порогом лазерной генерации объясняются современным представлениями об источниках тепловой генерации в инжекционньг лазерах. Источники тепла в лазерных диодах были идентифицирован! еще в работах примерно двадцатилетней давности [12,133, где і качестве основных причин тепловой генерации были названы безызлу-чательная рекомбинация носителей, тепловыделение на последовательном сопротивлении лазерного кристалла и перепоглощение спонтанного излучения. В настоящее время доминирующая роль в процесс* тепловыделения по общему признанию отводится безьвлучательноі рекомбинации носителей. Скорость безьвлучательной рекомбинациі принято определять в виде NCyD/т , где NCyD - профиль концентрации носителей в активном слое, т - время жизни инжектировании носителей, связанное с безьвлучательной рекомбинацией. Величина пропорциональная NCyD/т , вполне закономерно фигурирует в самосогласованной модели [10] в качестве мощности сосредоточенного ] активном слое теплового источника, и именно она, в конечном счете, определяет температурный профиль. Как известно, самосогласованная с интенсивностью излучения концентрация носителей Ж у! быстро нарастает в допороговом режиме, но при достижении порог; лазерной генерации практически стабилизируется на уровне порого-
вого значения N^Cy). Следовательно, в этот момент практически прекращается дальнейший разогрев активной области, связанный с безызлучательным каналом рекомбинации носителей. Именно на этом основании существующие в настоящее время модели инжекционных лазеров не рассматривает тепловой механизм воздействия на волновод-ный профиль показателя преломления в качестве фактора, играющего сколько - нибудь активную роль в формировании моды излучения над порогом генерации, а все происходящие с ростом интенсивности изменения в пространственной структуре излучения относят исключительно на счет самофокусировочных явлений.
Тем не менее, как свидетельствуют представленные в диссертационной работе результаты численного моделирования, попытки в рамках численной модели достичь качественного соответствия с наблюдаемыми в эксперименте характерными особенностями надпорого-вой эволюции лазерной моды приводят к выводу о том, что и над порогом лазерной генерации следует принимать во внимание тепловые процессы в полосковых инжекционных лазерах, связанные с нерезонансным поглощением лазерного излучения. Исследование проблемы пространственной стабильности излучения полупроводниковых инжекционных лазеров в этом ее новом аспекте является основным содержанием данной диссертационной работы.
Цель данной работы - экспериментально и методами численного моделирования исследовать особенности формирования и надпороговой эволюции моды излучения в полосковых инжекционных лазерах и, в частности, выяснить роль тепловых явлений, как одного из факторов, участвующих в формировании моды излучения, в процессе возникновения и развития явления пространственной неустойчивости излучения в полупроводниковых инжекционных лазерах полосковой геометрии.
В задачи исследования входит:
Экспериментальное исследование пространственных характеристик лзлучения полупроводниковых инжекционных лазеров в режимах стаци-энарной генерации и модуляции тока инжекции.
Построение численной модели полоскового инжекционного лазера, позволяющей описывать как процесс формирования моды излучения на пороге генерации, так и ее надпороговую эволюцию.
Детальное исследование методами численного эксперимента процесса формирования и надпороговой эволюции моды излучения в полоско-
бых инжекционных лазерах.
- Интерпретация результатов экспериментальных исследований мето
дами численного моделирования и выявление на этой основе особен
ностей и общих закономерностей процесса формирования и надпорого
вой эволюции моды излучения в полосковых инжекционных лазерах.
Научная новизна результатов
Разработана численная модель полоскового инжекционного лазера, позволяющая в рамках упрощенных модельных представлений о распределении диэлектрической проницаемости в активной среде лазера описывать не только процесс формирования моды излучения на пороге генерации, но и ее надпороговую эволюцию.
Экспериментально исследованы и методом численного моделирования интерпретированы особенности надпороговой эволюции пространственных характеристик излучения полосковых инжекционных лазеров в режимах стационарной генерации и гармонической модуляции тока инжекции.
Методами численного моделирования выявлены общие закономерности процесса формирования и надпороговой эволюции моды излучения в полосковых инжекционных лазерах.
Показано, что надпороговая эволюция диаграммы направленности излучения в полосковых инжекционных лазерах без бокового оптического ограничения определяется изменениями кривизны и формы фазового фронта моды.
Впервые в качестве активного фактора надпороговой эволюции модь излучения рассмотрено тепловое воздействие на волноводный профиль показателя преломления в активной области лазера, связанное с нерезонансным поглощением лазерного излучения, и проанализирована его роль в развитии явления пространственной модовой неустойчивости.
Научно - практическая ценность работы
Установленные закономерности, связанные с формированием v надпороговой эволюцией моды излучения в полосковых инжекционны> лазерах позволяют интерпретировать результаты экспериментальны} наблюдений и получать на их основе информацию об особенностя} диэлектрической структуры лазера. Результаты проведенных исследований могут бьпъ использованы при проектировании полупроводниковых лазерных структур с заданными свойствами излучения. Полученные закономерности позволяют управлять диаграммой направленное
і влиять на степень пространственной устойчивости излучения.
Достоверность выводов работы подтверждается соответствием ;езультатов численного моделирования и физического эксперимента, юспроизводимостью экспериментальных результатов и результатов іисленного моделирования.
На защиту выносятся следующие основные положения: .. Характерными особенностями надпороговой эволюции моды излуче-шя в полосковых инжекционных лазерах без бокового оптического >граничения является появление побочного максимума интенсивности і диаграмме направленности излучения и инверсия фазы сигнала юдуляции в интенсивности излучения в направлении вдоль р-п іерехода в сечении лазерного пучка при гармонической модуляции "ока инжекции. Эти явления представляет собой специфическое про-голение пространственной неустойчивости моды в процессе самофоку-;ировочной модовой деформации.
:. В полосковых инжекционных лазерах без бокового оптического ог-шичения надпороговая эволюция диаграммы направленности излуче-іия связана, главным образом, с изменениями кривизны и формы фа-ювого фронта моды. Изменения степени локализации моды излучения ігравт второстепенную роль.
5. Тепловое воздействие на волноводный профиль показателя прелом-іения в активной области лазера, связанное с нерезонансным погло-іением лазерного излучения, является важным фактором надпороговой (волвции моды излучения в полосковых инжекционных лазерах без бокового оптического ограничения. В узкополосковых С2-3 мкм) лазе->ах это воздействие является доминируицим вплоть до очень вьсоких іначений интенсивности излучения. В инжекционных лазерах со сред-ієй шириной активной области СЮ - IS мкм) тепловое воздействие іреобладает при малых уровнях интенсивности и в случае асимметрии ^электрической структуры лазера способствует развитию прост-эанственной модовой неустойчивости.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной школе 'Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полу-фоводниковыми диэлектрическими структурами" ССаратов, 1988). на ісесоезной конференции "Физические проблемы оптической связи" Севастополь, 1990), на Всесоюзном семинаре "Метрология в преци-іионном машиностроении" ССаратов, 1990), на международной конфе-
ренции по нелинейной динамике в оптических системах NDOS'90 СЭф-тон, США, 1990), на II международной школе по проблемам современной физики "Физика сильно неравновесных систем" ССочи, 19913, ні международной конференции по нелинейной динамике в оптически: системах NDOS'QS СРочестер, США, 1993).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано и принято к публикации 9 работ, список которых приведен в конце автореферата, получено авторское свидетельство об изобретении.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы C14S наименований), содержит 37 рисунков С два рисунка в приложении), две таблицы и изложена на 13! страницах машинописного текста.
