Введение к работе
Актуальность темы. Два или более оптически, связанных друг с другом полупроводниковых лазеров представляют большоіі интерес как колебательная система с богатой и сложной динамиком. Проблема оптического взаимодействия лазеров может рассматриваться как вариант классической задачи физики колебаний о поведении связанных активных осцилляторов, история изучения которых берет свое начало с опытов X.Гюйгенса, наблюдавшего вовлечение в синхронизм двух часов, укрепленных на общем основании. Первое обстоятельное исследование таких осцилляторов было предпринято с ламповыми генераторами. Позже они рассматривались применительно к объектам разной природы: от контактов Джозефеона в сверхпроводниках до живых организмов. В последнее время системы связанных осцилляторов привлекают к себе все большее внимание в лазерной физике. Свойственная полупроводниковым лазерам сильная нелинейность среды, большая плотность световой энергии в активной облает и высокий уровень спонтанного шума служат предпосылкой для возникновения при их взаимодействии ярких и своеобразных явлении.
Проблема интересна и в практическом аспекте. Для многих применений полупроводниковых лазеров необходима одпомодовая (одно-частотная) генерация. Однако, полупроводниковые лазеры с традиционным резонатором Фабри-Перо проявляют тенденцию к многомодо-вости, особенно при высокочастотной модуляции. В системе из двух когерентно связанных лазеров достигается динамически одпомодовая генерация. Именно это обстоятельство стимулировало их исследования на первом этапе. Но вскоре стало ясным, что они способны выполнять и другие функции, такие как логические операции, модуляция частоты и фазы излучения. Практическое освоение режимов генерации, при которых реализуются эти и другие функции, открывает новые перспективы использования полупроводниковых лазеров для передачи и обработки информации и одновременно требует всестороннего изучения протекающих при оптическом взаимодействии процессов.
Цель диссертационной работы. Целью работы явилось изучение физических явлений, возникающих в полупроводниковом лазере при когерентном оптическом взаимодействии с другим лазером (или пассивным внешним резонатором) и разработка методов управления параметрами излучения на основе кооперативных эффектов.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование когерентно связанных полупроводниковых лазеров в.трех основных концепгу-
альных схемах и установлены неизвестные ранее закономерности их поведения; исследовано влияние конфигурационных параметров, уровня оптической связи и условий возбуждения на спектрально-временные и мощностные характеристики излучения; изучены дискретная и непрерывная перестройка частоты при изменении токов накачки и во времени при импульсной модуляции. Впервые рассмотрено взаимодействие квантоворазмерных лазеров. Обнаружено и объяснено возішкновенис в системе двух связанных лазеров при некотором критическом уровне мощности глубоких стохастических пульсации и катастрофического падения когерентности.
Теоретически и экспериментально получен радиочастотный спектр излучения в присутствии слабой внешней оптической обратной связи при гармонической модуляции тока. Обнаружено и объяснено необычно большое увеличение напряжения под- воздействием оптической связи в "красных" лазерах. Предложен и продемонстрирован новый метод формирования ультракоротких световых импульсов. Впервые исследован переходной- процесс при пассивной еннхрониза-. ции мод в лазере с внешней связью.
Исследованы характеристики полупроводниковых лазеров в условиях ннжекции независимого когерентного излучения; обнаружена тонкая структура спектральной зависимости коэффициента усиления лазера и показано, что она обусловлена нелинейным взаимодействием полей собственной моды лазера и инжектируемою сигнала. Пропа-блюдеи переход от усиления слабого сигнала к захвату генерации внешним излучением. На основе решения уравнений динамики с учетом спонтанного излучения и мноіих мод получены фазовые и мощностные характеристики полупроводникового лазера при захвате. Экспериментально показано, что при определенном выборе параметров реализуется импульсная оптическая фазовая модуляция. Обнаружен и исследован индуцируемый световой ннжекцией низкочастотный взрывной шум.
Впервые осуществлена связь полупроводникового лазера с внешним зеркалом посредством периодической структуры в лазерном волноводе. Обнаружены и объяснены кратковременные срывы генерации в лазере с распределенным брэгговским зеркалом. Разработаны оригинальные макеты лазерного гидрофона, источника коротких световых импульсов, датчика малых смещений.
Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты дают представление о поведении когерентно связанных полупроводниковых лазеров при различных параметрах системы и позволяют выявить условия, при которых реализуется динамически од-номодовая генерация, импульсная оптическая фазовая модуляция, не-'
.реключение мод, минимальная ширина спектральной линии, большой оптоэлектронный- сигнал, подавление гармоник в радиочастотном спектре при гармонической модуляции тока. Одновременно они указывают на существование ограничений при применении, обусловленных возникновением вследствие оптического взаимодействия интенсивных шумов или перескоков мод. Результаты могут быть использованы при разработке систем оптической связи с оптической фазовой или многоуровневой частотной модуляцией, лазерных гетеродинов, источников ультракоротких световых импульсов, средств метрологии, оптических процессоров, оптических датчиков.
К защите представляются следующие положения:
-
Исследована динамика когерентно связанных полупроводниковых лазеров в трех основных концептуальных схемах: її) лазер, работающий в условиях инжекцин излучения другого независимого лазера, о) два взаимосвязанных лазера..«) лазер, связанный с внешним зеркалом. Установлены общие закономерности их поведения, включая: существование субнизкочастотного шума, появление выше критического уровня связи глубоких флуктуации излучаемой мощности и ушпре-ния спектра, асимметрию перестроечных характеристик.
-
Исследовано влияние параметров внешней оптической обратной связи и тока накачки на характеристики излучения квантоворазмер-ных и обычных GaAlAs лазеров: выявлено пять режимов генерации. Установлено, что в спектре шума, вызываемого оптической связью, можно выделить ВЧ и НЧ составляющие с характерными частотами, определяемыми длиной внешнего резонатора, и субннзкочастотную составляющую с формой спектра вида v"-, обусловленную случайными переключениями мод. Обнаружены аномальные ватт-амперные характеристики.
З.'Для гармонической модуляции тока найдены амплитуды гармоник в радиочастотном спектре, порождаемых внешней оптической связью. Теоретически и экспериментально показано, что амплитуды гармоник являются квазппериодическими функциями постоянной составляющей тока накачки и при определенном выборе рабочей точки можно получить минимальную амплитуду той или иной гармоники.
-
В полупроводниковых лазерах, излучающих в области 0,76 мкм, обнаружено необычайно большое увеличение напряжения под влиянием внешней оптической связи. Построена теория этого эффекта и показано, что он объясняется присутствием сильного тока утечки электронов вследствие высокой эффективной плотности состояний в зоне проводимости этих лазеров.
-
Показано, что спектр и мощность излучения двух когерентно связанных полупроводниковых лазеров являются сложными фукцнями
. . S
токов накачки, уровня связи, длин резонаторов.и расстояния между
ними. При изменении оптических длин лазеров вследствие изменения .
тока или во времени (при импульсной модуляции) возникает дискрет
ная и непрерывная перестройка частоты генерации, сопровож
дающаяся модуляцией выходной мощности, в которой выделяются
быстрая и медленная составляющие; аналогичная модуляция присут
ствует в лазере с внешним зеркалом. Переключения мод могут быть
как мягкими, так и жесткими. В квантоворазмерных лазерах обнару
жены нереверсивные переключения. '.'"'.'
" 6. Продемонстрировано переключение частоты излучения в системе"
трех связанных лазеров, что дает возможность выполнения новых
функций при преобразовании сигналов.
7. Показано, что в системе когерентно связанных лазеров может быть реализована генерация на одноймоде с шириной спектральной линии меньшей, чем в каждом нз составляющих систему лазеров; при надлежащем выборе параметров достигается одномодовая генерация при глубокой импульсной модуляции.
К. Для слабой связи теоретически и экспериментально показано, что
нелинейное взаимодействие в активном среде собственного и инжек
тируемого электромагнитных полей приводні к появлению тонкой
структуры спектральной зависимости коэффициента усиления внешне-
. го излучения в лазере вблизи линии генерации.. '-...' ; .-'..
9. Теоретически и экспериментально получены фазовые и мощиоет-
ные характеристики излучения полупроводниковою лазера, в состоя
нии захвата (синхронизации) инжектируемым излучением. Показано,
что отклик лазера при приложении импульса тока сильно зависит ,от
частотной расстройки, амплитуды токового импульса, тока смещения
и уровня световой инжекции; в общем случае оказываются промоду-
лированмыми одновременно и выходная мощность, и фаза;,однако по
средством соответствующего выбора параметров можно получить
только оптическую фазовую модуляцию. ,
-
Обнаружен взрывной шум, возникающий в лазере под воздействием световой инжекции. По форме сигнала и спектру он подобен субнизкочастотным шумам перескоков мод, наблюдаемым в лазере с внешней оптической обратной связью и в системе взаимосвязанных лазеров, что указывает на общность их природы: а именно, эти шумы порождаются случайными переключениями между двумя состояниями генерации, инициируемыми шумовыми флуктуациямп спонтанной эмиссии. „.'':
-
Обнаружено возникновение в системе когерентно связанных лазеров глубоких стохастических пульсаций интенсивности излучения н
катастрофического уширения линии генерации. Причиной появления пульсаций является динамическая неустойчивость второго порядка.
-
Впервые осуществлена оптическая связь полупроводникового лазера с внешним зеркалом посредством периодической струкуры в лазерном волноводе.
-
Найдены зависимости коэффициентов отражения и пропускания периодической брэгговской структуры от интенсивности падающего света. Показано, что при-большой интенсивности происходит ее самопросветление. Обнаружены кратковременные гашения генерации в полупроводниковом лазере с брэповскнм зеркалом. Причиной эффекта служит самопросветленне брэгговского зеркала.
-
Предложен и продемонстрирован новый метод формирования последовательности ультракоротких световых импульсов. Как пример использования когерентно связанных лазеров, продемонстрировано переключение частоты оптической несущей в волоконно-оптической линии связи, разработаны макеты лазерного гидрофона, генератора коротких световых импульсов, датчика смещений.
Апробация работы. Результаты исследований, включенные в диссертацию, докладывались на следующих конференциях и семинарах: V Всесоюзной конф. "Флуктуационные явления в физических системах" (Палаша, 1988); V Всесоюзной конф. по физическим процессам в полупроводниковых гетеросіруктурах (Калуга, 1990); IV Всесоюзной конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры (Новосибирск, 1983); V Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981); конф. 'Волоконно-оптические линии связи" (Киев, 1981); республиканском иаучно-техн. сем. по интегральной оптике (Киев, 1988); республиканской конф. "Приборы и методы неразрушающего контроля" (Киев, 1985): VI Все- * союзной конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1986): ХШ Всесоюзной конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекаютцих процессов" (Москва. 1987); III Всесоюзной конф. "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Таллин, 1987); республиканской конф. "Волоконно-оптические системы передачи" (Донецк. 1987): I Всесоюзной конф. по оптической обработке информации (Ленинград, I9SS): семинаре МНДТП "Применение оптикс-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Москва. 1989): III Всесоюзной конф. "Метрология п дальнометрии" (Харьков, 1988): республиканской конф. "Физика полупроводниковых лаіеров" (Вильнюс. 1989): I Всесоюзной конф. по интегральной оптике" (Ужгород. 1991); Всесоюзном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1991); ХП
конф. "Проблемы разработки и конструирования информационно-измерительных комплексов" (Москва, 1991); Всесоюзной конф. "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике" (Н.Новгород, 1991); УШ региональном совещании-семинаре "Оптические и оптоэлектронные методы обработки информации и управления технологическими объектами" (Краснодар, 1990): XVI Всесоюзной конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1993); конф. "Оптические, сотовые и спутниковые системы связи" (Суздаль, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 печатная научная работа, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем текста, включая рисунки и список литературы, состоящий из 304 наименований, составляет 317 страниц.
