Содержание к диссертации
Введение
1 Гребневая конструкция волновода полупроводникового лазера 18
1.1 Волноводный эффект в горизонтальном направлении 19
1.2 Анализ точности МЭПП для моделирования гребневых оптических волноводов 21
1.3 Заключение 27
2 Автоматизация экспериментальных исследований излучательных характеристик гребневого лазера 28
2.1 Основные принципы автоматизации экспериментальных исследований 29
2.2 Методика измерений ватт-амперной и вольт-амперной характеристик, спектра излучения и степени поляризации ПЛ 31
2.3 Регистрация распределения интенсивности излучения гребневого лазера 33
2.4 Методика измерения флуктуации интенсивности гребневого лазера 34
2.5 Заключение 36
3 Экспериментальные исследования излучательных характеристик мощных гребневых лазеров 37
3.1 Степень поляризации, спектр, распределение интенсивности и качество пучка излучения мощного гребневого лазера 37
3 2 Исследование низкочастотных шумов мощности излучения гребневых лазеров 48
3.3 Заключение 58
4 Оптимизация параметров гребневых лазеров для получения максимальной яркости излучения 60
4.1 Линейная модель 60
4.2 Влияние встроенного скачка показателя преломления на дискриминацию по усилению различных поперечных мод в лазере с гребневым волноводом . 62
4.3 Влияние ширины гребня на максимально возможную яркость выходного излучения 64
4.4 Выбор области оптимальных параметров гребня в рамках линейной модели 65
4.5 Заключение 68
5 Моделирование излучательных характеристик гребневого лазера: нелинейная модель 70
5.1 Основные уравнения модели 71
5.2 Численная реализация модели 75
5.3 Влияние ширины гребня и встроенного скачка показателя преломления на
режим поперечно-одномодовой генерации 83
5 4 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 92
5 5 Заключение 94
Выводы и заключение 96
Литература 99
- Анализ точности МЭПП для моделирования гребневых оптических волноводов
- Методика измерений ватт-амперной и вольт-амперной характеристик, спектра излучения и степени поляризации ПЛ
- Степень поляризации, спектр, распределение интенсивности и качество пучка излучения мощного гребневого лазера
- Влияние встроенного скачка показателя преломления на дискриминацию по усилению различных поперечных мод в лазере с гребневым волноводом
Введение к работе
Актуальность работы.
Современные полупроводниковые гетеролазеры являются примером наукоемкого и высокотехнологичного продукта, находящего применение не только в исследовательских лабораториях, но также и в повседневной жизни. Расширение возможностей оптоволоконных и открытых оптических систем связи, оптических устройств хранения информации, систем оптической локации требует увеличения яркости пучка излучения применяемого полупроводникового лазера. Одним из подходов в конструировании высокояркостных полупроводниковых лазеров является использование гребневой конструкции волновода (ridge waveguide) с шириной области накачки и распределения поля порядка нескольких длин волн.
Преимущество такого типа лазеров состоит в том, что кроме одной моды в плоскости, перпендикулярной слоям гетероструктуры (вертикальная плоскость), они обычно имеют одномодовое распределение ПОЛЯ и в плоскости слоев гетероструктуры (горизонтальная плоскость), то есть пучок излучения у данного типа лазеров уже имеет почти дифракционное качество. И для повышения яркости его излучения необходимо увеличивать выходную мощность излучения при сохранении стабильного поперечно-одномодового распределения поля. При этом возникает ряд проблем. Первая связана с тем, что в полупроводниковом лазере пространственное распределение концентрации носителей не фиксируется на пороге лазерной генерации, а с изменением тока накачки оно деформируется, что может привести к возникновению генерации на следующих модах волновода и ухудшению качества пучка. Вторая -- из-за малых размеров поля в гребневом лазере достигаются плотности потока излучения, при которых происходит оптическое разрушение выходных граней резонатора. Все это требует нахождения оптимальных геометрических параметров гребня, определяющего волноводный эффект в горизонтальной плоскости, что невозможно без численного моделирования.
В настоящее время наиболее адекватной моделью гребневого лазера мо-
жет считаться модель, основанная на методе распространения пучка (в англоязычной литературе beam propagation method). Несмотря на обилие работ по моделированию полупроводниковых лазеров с применением подобных моделей расчеты, как правило, выполнялись либо для лазеров с мощностью на уровне нескольких мВт, либо для лазеров с волноводом наведенным усилением. Что касается мощных поперечно-одномодовых гребневых лазеров, работающих в диапазоне выходных мощностей свыше 200 мВт, их моделирование является актуальной задачей, поскольку они особенно востребованы в современных приложениях.
Изучение полупроводниковых лазеров невозможно без экспериментальных исследований. Знание их излучательных характеристик, таких как распределения полей, ватт-амперная и вольт-амперная характеристики, уровень шумов, спектральные свойства, степень поляризации, позволяет судить о физических процессах происходящих внутри лазера, оценивать материальные характеристики среды образующей лазер, а также проверять достоверность моделей описывающих их поведение.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное изучение излучательных характеристик полупроводниковых лазеров гребневого типа при выходных мощностях излучения, превышающих 100 мВт в непрерывном режиме работы, а также численное моделирование влияния геометрических параметров гребня на яркость выходного излучения таких лазеров и поиск оптимальных, с точки зрения получения максимальной яркости, значений этих параметров.
Научная новизна.
1. Разработаны оригинальные методики измерений на основе созданных и автоматизированных в ходе работы измерительных комплексах для исследования излучательных характеристик полупроводниковых лазеров.
Методики позволяют получить результаты измерений, таких характеристик лазеров, как распределение интенсивности в ближней и дальней зонах, спектральные распределения, ватт-амперные характеристики и др., в виде числовых массивов данных, записанных в файлы. Это открыло новые возможности сравнения результатов эксперимента с расчетами не только по некоторому "усредненному" или интегральному параметру, например такому, как полуширина диаграммы направленности или спектральная ширина контура линии, как это практиковалось ранее в подавляющем числе традиционных измерений, но и позволило использовать полностью информацию, содержащуюся в больших массивах данных. Следствием применения методик стало, во-первых, повышение точности измерений, а во-вторых -- возможность получения принципиально новой информации за счет более глубокой численной обработки результатов измерений, что было практически недоступно для прежних методик измерений.
Создана более реалистичная, по сравнению с предшествующими, физическая модель для описания распределения высокоинтенсивного оптического излучения в резонаторе гребневого гетеролазера с квантоворазмер-ной активной областью. Отличительной особенностью модели является учет изменения поперечного профиля оптического пучка и волноводных свойств активной области вдоль оси резонатора лазера. Модель использует новый подход к рассмотрению трехмерной оптической задачи, который заключается в сочетании метода эффективного показателя преломления для "быстрой"оси перпендикулярно слоям структуры с методом распространяющегося пучка в плоскости слоев структуры.
Экспериментально исследованы особенности излучательных характеристик поперечно-одномодовых полупроводниковых лазеров (дальняя зона излучения, ватт-амперная характеристика, флуктуации мощности и др.), работающих при высоких плотностях > 1 107 - оптического потока, достигающих уровня оптического разрушения среды (выходной
грани) лазера. Предшествующие исследования относились, как правило, или к поперечно-одномодовым лазерам, работающим при сравнительно низкой оптической плотностью потока < 1 106 —^ или к лазерам, работающим с высокой плотностью оптического потока, но при этом режим их генерации не был одномодовым.
4. Сформулирован новый подход к оптимизации конструкции гребневого лазера для получения максимальной яркости излучения, заключающийся в методике выбора для каждой конкретной гетероструктуры и длины резонатора пары оптимальных значений — ширины гребня и скачка эффективного показателя преломления.
Практическая значимость работы.
Разработаны и созданы, с участием научного коллектива НИИ "Полюс", высокояркостные гребневые лазеры с длинами волны излучения 0.98 и 0.81 мкм. В поперечно-одномодовом режиме генерации достигнуты выходная мощность более 200 мВт и яркость 5 107—^—. На настоящий момент эти лазеры обладают наиболее высокими излучательными характеристиками среди отечественных приборов и на уровне мировых достижений для аналогичных приборов. И являются перспективными источниками излучения для систем космической связи, а также для накачки оптоволоконных лазеров:
Создано программное обеспечение, позволяющее численно расчитывать излучательные характеристики гребневых лазеров как на пороге, так и в режиме лазерной генерации. Его использование позволит сократить как временные, так и материальные затраты на разработку мощных поперечно-одномодовых лазеров:
Найденный в ходе работы уровень низкочастотных флуктуации мощных поперечно-одномодовых лазеров позволяет определять предельные шумовые характеристики проектируемых оптоэлектронных систем, использующих высокояркостные полупроводниковые лазеры.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены в 6 публикациях, докладывались на 5-ом Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Беларусь, Минск, 2005 г.), на семинарах отделения ОКРФ и отдела оптоэлектроники ФИАН, на научных конференциях МФТИ.
Положения выносимые на защиту.
Методика экспериментальных исследований, созданная в настоящей работе и основанная на использовании автоматизированных измерений, позволяет получать данные, характеризующие распределение интенсивности в ближней и дальней зонах, спектральную плотность и флуктуации интенсивности излучения мощных гребневых лазеров, в оцифрованном виде, наиболее адаптивном для сравнения и анализа с результатами расчета, полученными путем численного моделирования.
Метод эффективного показателя преломления обладает точностью необходимой для численного моделирования излучательных характеристик гребневых лазеров.
Спектральная плотность флуктуации интенсивности поперечно одномо-дового лазера не превышает б 10~17 Вт2Гц-1 при выходной мощности на уровне 60 мВт в режиме генерации, соответствующем устойчивой рабочей точке. Резкое возрастание уровня флуктуации в некотором диапазоне токов накачки связано с выходом из устойчивой рабочей точки и переходом в режим переключения продольных мод.
Численное моделирование ватт-амперной характеристики по методике, развитой в настоящей работе, позволяет определять для заданных геометрии гребня, длины резонатора и гетероструктуры максимально достижимую мощность излучения лазера в режиме поперечно-одномодовой генерации и, соответственно, проводить оптимизацию конструкции гребневого лазера для получения максимальной яркости пучка излучения.
Методика основана на физической модели, учитывающей двухмерное (вдоль оптической оси и вдоль горизонтальной оси лазера) и самосогласованное изменение амплитуды поля и "выгорание" инверсии.
5. Яркость оптического пучка гребневого лазера, работающего в диапазоне 0.81 мкм - 0.98 мкм, достигает максимального значение при ширинах гребня W в диапазоне 3 -і- 5 мкм. При W < 3 мкм ограничена явлением оптического разрушения выходной грани лазера,а при W > 5 мкм -возбуждением высших поперечных мод. Оптимизация резонатора гребневого лазера позволяет достичь значений яркости 5 107—т—.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы из 64 наименований, изложена на 104 страницах и проиллюстрирована 36 рисунками и 5 таблицами.
Анализ точности МЭПП для моделирования гребневых оптических волноводов
Решив это уравнение, найдем и(у) и комплексную константу распространения к. Зная и и v мы окончательно находим двумерное распределение амплитуды поля Е по формуле (1 1) Таким образом, двумерная задача определения поперечного распределения поля в гребневом волноводе свелась к последовательному решению двух одномерных задач определяемых уравнениями (1.5) и (1.7). Зависимость диэлектрической проницаемости є(х, у) от у приводит к тому, что эффективная диэлектрическая проницаемость еэ(у) также зависит от у и в горизонтальном направлении образуется эффективный диэлектрический волновод, определяющий горизонтальное распределение поля
Как было указано выше, задача нахождения распределения поля в гребневом волноводе распадается на две одномерные задачи. Первая задача, определяемая уравнением (1.5), эквивалентна нахождению поля в плоском многослойном волноводе, для ее решения мы использовали описанный в работе [37] метод, сочетающий в себе высокую точность нахождения мод с гарантией нахождения их всех в случае многомодового волновода и относительно низкую вычислительную трудоемкость. Решение задачи (1.6) можно также свести к нахождению поля в плоском многослойном волноводе. Приблизим функцию h(y) кусочно-постоянной функцией где К число разбиений. Минимальная величина 6г определяется максимальной скоростью изменения функции h(y), но в большинстве случаев не имеет смысла брать эту величину значительно меньше, чем длина волны излучения в слоях гетероструктуры. Для каждого Уо = Уі + 2 ИСХДЯ из геометрии гребня и параметров слоев гетероструктуры определяем кусочно-постоянную функцию (х,уо) , подставляем ее в уравнение (1.5) и, используя метод описанный в [37], находим е\ Повторяя эту процедуру К раз мы найдем е1э в каждом слое. В итоге получается плоская многослойная структура с известными для каждого г-\ о слоя толщиной 6t и диэлектрической проницаемостью є\. Подставляя ее в уравнение (1 6) и вновь используя метод из работы [37], находим горизонтальное распределение поля и(у) и константу распространения к.
В основе МЭПП лежит предположение, что в одном из поперечных направлений амплитуда волны изменяется существенно медленнее, чем в другом (неравенства (1 2)) Условия (1.2) являются неявными, так как изначально ни одна из функций и(у) и v(x, у) неизвестна Тем не менее, вначале можно решить задачу, предполагая, что условия (1.2) верны, а затем вернуться к ним и проверить их выполнение. Однако выполнение этих условий еще не дает представлений о точности МЭПП. В этой связи было интересно провести оценку его точности для случая гребневой конструкции волновода путем сравнения распределений поля нулевой волноводной моды в ближней и дальней зоне, а также значений модового показателя преломления , полученных при помощи МЭПП и метода конечных элементов (МКЭ), применимого для любой геометрии волновода. В случае МКЭ также использовалось скалярное волновое уравнение.
В качестве примера была взята структура, типичная для полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения Ао = 0.98 мкм, ее толщины слоев и показатели преломления приведены в таблице 1.1.
Показатель преломления изолятора (ZnSe), который наносится после вытравливания гребня, равен 2 4, что значительно меньше величин показателей преломления для слоев гетероструктуры. Это приводит к уменьшению эффективного показателя преломления вне гребня и возникновению волноводного эффекта в горизонтальном направлении. Для упрощения анализа будем считать, что функция h(y) имеет вид ступеньки с шириной W. Вычисления по МЭПП проводились как описано в части 1 1, а для вычислений по МКЭ использовалась программа FlexPDE [38]. Варьируемыми параметрами в расчегах были ширина гребня W и остаточная толщина обкладочного слоя вне гребня /і . Расчеты были проведены для следующих пар значений- 1) W =2 мкм и /г , = 0 178 мкм; 2) W =3 мкм и hoo = 0.37 мкм; 3) W =4 мкм viho0 = 0.5 мкм. Все три случая соответствуют условию отсечки для первой моды волновода, рассчитанному по МЭПП, т. е. можно сказать, что во всех рассмотренных случаях "сила"волновода одинакова. В данной геометрии на іраницах гребня (при \у\ = у) эффективный показатель преломления пэ(у) испытывает скачок. Для оценки влияния такого скачка вычисления были проведены также для случая сглаженных границ гребня, задаваемых следующей функцией h(y):
Методика измерений ватт-амперной и вольт-амперной характеристик, спектра излучения и степени поляризации ПЛ
В качестве операционных систем для персонального компьютера нами было выбрано семейство "Microsoft Windows" из-за его распространенности, простоты использования и наличия большого числа программных продуктов, позволяющих производить обработку полученных данных. Основным недостатком при использовании этих операционных систем является невозможность производить работу с устройствами в режиме "реальною времени", что может быть критично при измерениях, в которых считывание или подачу сигналов необходимо осуществлять через заданный интервал времени. Для проведения таких измерений, в качестве плат ввода-вывода нами были использованы платы фирмы "L-Card" с установленными сигнальными процессорами фирмы "Analog Devices" ADSP 218х Измерения в "реальном времени" проводились под управление сигнального процессора, их результаты собирались в его внутреннем буфере и в дальнейшем считывались и обрабатывались программно на персональном компьютере. Параметры этих плат приведены в таблице 2.1.
Выходные линии ЦАП использовались для управления блоком питания полупроводникового лазера (ПЛ). Изменение напряжения UBX на входе блока, связанном с выходной линией ЦАП, приводит к пропорциональному изменению напряжения Un в цепи, включающей лазер и последовательно подключенные ограничивающий и реперный резисторы. Ограничивающий резисгор RQ задает максимальную величину тока инжекции, а реперный резистор Rp используется для контроля тока инжекции, протекающего через лазер.
Напряжение на реперном резисторе Up = Ітж-Яр, так что контроль величины тока можно осуществлять контролем напряжения на этом резисторе, что легко реализуется с помощью АЦП. Таким образом, изменяя [7ВХ и измеряя величину Up программно можно было изменять и контролировать величину протекающего через ПЛ тока. Блок-схема этой системы представлена на рис. 2.1.
При автоматизации измерений распределения излучения в дальней зоне, спектральных характеристики и степени поляризации излучения полупроводникового лазера использовались шаговые двигатели (ШД). Основной особенностью шагового двигателя является то, что вращение его ротора осуществляется дискретными шагами с углом поворота, четко определенным конструкцией (в используемых двигателях один шаг составлял 1.8). Это позволяет выполнять точное позиционирование без датчиков обратной связи и существенно упрощает разработку систем автоматизации. На рис. 2.2 приведена блок-схема управления шаговым двигателем. Управление драйвером обмоток ШД осуществлялось с помощью выходных цифровых линий TTL уровня, расположенных на используемых платах ЦАП/АЦП и также управляемых сигнальным процессором. При каждой подаче на одну из управляющих TTL линий сигнала в виде ступеньки, драйвер обмоток подает напряжение питания Кит на обмотки ШД, заставляя его совершить один шаг. В наших экспериментах использовались двигатели униполярного типа, с четырьмя управляющими входами и пятым "общим". Для такого типа двигателя схема драйвера обмоток представляет собой четыре простых ключа, которые, например, можно реализовать на четырех полевых транзисторах. В этой схеме направление вращения двигателя определяется очередностью переключения ключей и легко изменяется программно. Вышеперечисленные элементы автоматизации являются базовыми при построении более сложных измерительных систем. Перейдем к описанию конкретных схем.
Схема для измерения ватт-амперной характеристики ПЛ в непрерывном режиме работы получается небольшой модификацией представленной на рисунке 2.1 схемы . Излучение полупроводникового лазера направляется в фотодиод, подключенный в диодном режиме работы [39], напряжение UHar на его нагрузочном сопротивлении ДНаг, пропорциональное величине световой мощности падающей на фотодиод, с помощью АЦП переводится в цифровое представление. Регистрация мощности излучения лазера и изменение тока накачки происходит в автоматическом режиме под управлением сигнального процессора, оператору только необходимо указать диапазон изменения тока инжекции. Полученные результаты загружаются в персональный компьютер и с помощью калибровочных коэффициентов переводятся из машинных отсчетов в величины требуемой размерности. Для калибровки фотодиодов использовался термопарный измеритель мощности фирмы "Ophir".
Одновременно с измерением ватт-амперной характеристики можно проводить и измерение вольт-амперной характеристики, для этого необходимо с изменением тока измерять напряжение Uun на ПЛ, что также легко автоматизируется. Схема экспериментальной установки по измерению вольт и ватт-амперных характеристик приведена на рис. 2.3.
Исследования спектра излучения ПЛ, как уже указывалось, имеют большое значение для понимании его работы. Нами использовались две стандартные схемы измерения спектра. В обоих схемах излучение полупроводникового лазера микрообъективом фокусируется на входную щель монохроматора, далее на выходе из монохроматора излучение с помощью дифракционной решетки "разворачивается" в спектр. Для измерения этого спектрального распределения в первой схеме на выходе монохроматора находится щель с фотоприемником, сигнал с которого оцифровывается АЦП. Развертка по спектру осуществляется вращением решетки монохроматора шаговым двигателем. Во второй схеме на выходе расположена ПЗС-линейка, сигнал с которой считывается контроллером. Преимущество второй схемы в том, что она позволяет измерять весь спектр лазерного диода (ширина спектра 50 нм) за время порядка нескольких секунд, тогда как в первой схеме на это требуются десятки минут, что может быть критично, например, при исследовании материальных свойств лазера, когда необходимо большое количество спектральных измерений. Основным преимуществом первой схемы является ее простота и возможность использовать методику гомодинного детектирования для снижения уровня шумов. Кроме того, полупроводниковые лазеры в режиме генерации имеют ширину спектра, зачастую, менее 10 нм, что существенно сокращает время, затрачиваемое на его снятие.
Измерение поляризации излучения аналогично измерениям спектра излучения в выше упомянутой первой схеме. Только при измерении поляризации излучение лазера фокусируется не на щель монохроматора, а на фотодиод. Между фотодиодом и лазером находится поляризатор. Шаговый двигатель вращает поляризатор, одновременно с этим сигнал с фотодиода оцифровывается АЦП. После оборота на 360 программно находятся максимальное и минимальное значения сигнала с фотодиода и вычисляется степень поляризации излучения лазера по формуле 7 = Yax +F
Степень поляризации, спектр, распределение интенсивности и качество пучка излучения мощного гребневого лазера
Как можно видеть, Ф( р) практически не зависит от тока накачки, что говорит о том, что изменение диэлектрической проницаемости є в активном слое с изменением концентрации инжектированных носителей и тепловым изменением є значительно меньше скачка є на границах слоев гетеросруктуры. Аналогичные измерения, выполненные ранее для других гребневых лазеров с квантоворазмерной активной областью, также свидетельствуют, что распределения интенсивности в вертикальном направлении в подавляющем большинстве случаев не зависят от режима работы лазера и с высокой точностью одинаковы для всех образцов лазеров, если эти образцы изготовлены из одной партии (структуры). Таким образом, они характеризуют структуру в целом. Здесь же приведено расчетное поле в дальней зоне вдоль вертикального направления для планарного волновода, параметры слоев которого приведены в таблице 3.1. Расчетная кривая оказывается немного уже экспериментально измеренных распределений. Совпадения экспериментального и расчетного распределений можно добиться путем изменения волноводных слоев структуры в пределах технологической поірешности определения состава слоя( 2%). Это свидетельствует о том, что незначительное расхождение между расчетом и экспериментом для распределения интенсивности в вертикальном направлении имеет технологическую природу. Расчет выполнялся описанным в [37] методом для центра гребня (у=0) и его результатом были распределение интенсивности в дальней зоне Ф(ір) и в ближней зоне F(x). Таким образом, результаты измерений распределения интенсивности в дальней зоне (вертикальное направление) могут быть использованы как некий метод контроля параметров выращенной гетероструктуры.
Экспериментальные и расчетное распределения интенсивности І(ф) в дальней зоне для і оризонтального направления (вдоль р-n перехода) приведены на рисунке 3 3 Расчет распределения интенсивности I(ip) сделан в приближении эффективного показателя преломления по описанной в главе 1 методике. Геометрические параметры профиля гребня получены путем обработки фотографий выходного зеркала лазера, полученных с помощью электронного сканирующего микроскопа. Анализируя данные рисунка 3.3 можно видеть, что при токе накачки вблизи порогового (60 мА) экспериментальная кривая распределения дальнего поля отличается от расчетной кривой и расхождение находи і ся на уровне 20%. Полученное расхождение скорее всего связано с пренебрежением влияния антиволноводного действия носителей в лазерном диоде, поскольку инжектированные носители уменьшают эффективный показатель преломления под гребнем, что приводит к ослаблению горизонтального волновода, уширению ближнего поля и, соответственно, к сужению дальнего поля При увеличении тока накачки вплоть до значений 180 мА наблюдается уширение экспериментальной кривой при сохранении ее кол околообра зной формы Это означает, что распределение интенсивности в ближней зоне сужается Такое поведение есть следствие увеличения волноводного эффекта в горизонтальной плоскости за счет двух факторов пространственного выгорания носителей и разогрева волновод-ных слоев Действительно, пространственное выгорание носителей за счет стимулированных переходов приводит к тому, что их концентрация в пространственной области вблизи оси резонатора уменьшается стремясь к концентрации прозрачности с ростом оптической мощности В это же время значение концентрации в периферийных по отношению к оси областях (на "крыльях" моды), будет, наоборот, увеличиваться с ростом оптической мощности Это следствие того что в "среднем" концентрация должна сохранять свое пороговое значение В итоге формируется профиль показателя преломления, наведенный носителями, который и приводит к увеличению горизонтального волноводного эффекта Из-за более интенсивного нагрева активной области в центре пучка но сравнению с окружающими пассивными областями также образуется дополнительный оптический волновод, но наведенный уже пространственным профилем температуры и количественно характеризующийся положительным коэффициентом зависимости показателя преломления от температуры Щ,. В результате этих двух процессов и происходит вышеупомянутое "ежатие" оптического пучка в горизонтальном направлении. При токе свыше 180 мА изменение волноводных свойств резонатора настолько значительно, что дополнительно наблюдается и некоторое искривление распределения дальнего поля По-видимому, при сильном выгорании инверсии самовоздействие оптического потока на его горизонтальное распределение становится очень чувствительно к случайным дефектам волновода, например, несимметричности гребня. Тем не менее, можно констатировать, что распределение поля осталось поперечно-одномодовым, о чем свидетельствует спектр, показанный на рисунке 3 4, соответствующий режиму одночастотной генерации. Здесь уместно отметить что "сжатие" оптического пучка сопровождается также переходом из режима генерации на мної их продольных модах к режиму генерации на одной продольной моде (см рисунок 3 4) Одним из объяснений такого спектрального поведения может быть то, что при сжатии пучка улучшаться поперечно-пространственная однородность занятой полем активной среды. Действительно, если диаметр оптического потока сравним или близок к длине диффузии носителей, то можно считать, что по сечению пучка концентрация носителей почти постоянна Как правило, улучшение степени пространственной однородности способствует режиму одночастотной генерации. Другим фактором, ответственным за такое поведение, может быть переход из режима самоноддерживающих пульсаций интенсивности, характерного для лазеров со "слабым" волноводом, к режиму стационарной генерации при увеличении волноводных свойств резонатора. Хорошо известно, что в режиме пульсаций имеет место генерация на многих продольных модах [41,42], в то время как стационарная генерация с устойчивым поперечным распределением поля обладает также и повышенной устойчивостью одночастотного режима при увеличении выходной мощности [43].
Влияние встроенного скачка показателя преломления на дискриминацию по усилению различных поперечных мод в лазере с гребневым волноводом
Причиной осциллирующего поведения уровня флуктуации мощности от температуры, по-видимому, является их природа, связанная с переключением іенерации по продольным модам [51] (в англоязычной литературе - mode-hopping). Частота таких переключений зависит от устойчивости генерации той или иной спектральной моды В свою очередь эта устойчивость определяется положением моды относительно максимума спектрального контура кривой усиления среды лазера [43]. При изменении температуры сдвиг максимума усиления и собственных частот продольных мод происходит с разной скоростью, это приводит к тому, что при изменении температуры частоты продольных мод последовательно проходят через максимум спектрального контура усиления, соответственно периодическим образом изменяется устойчивость генерации Когда частота продольной моды совпадает с максимумом кривой усиления, устойчивость наибольшая и переключение мод маловероятно. Напротив, когда две ближайшие моды симметрично расстроены относительно спектрального максимума, устойчивость минимальна и резко повышается вероятность переключения генерации с одной моды на другую. Этим можно объяснить квазипериодичность изменения уровня флуктуации от температуры за счет квазипериодического изменения скорости переключения мод Заметим, что аналогичное квазиие-риодическое изменение уровня флуктуации при изменении температуры было отмечено ранее в [52] и это поведение тоже было отнесено к переключению мод Сравнение измеренной нами амплитуды флуктуации в режиме наиболее "спокойной" генерации, т е вне пика g{J), с результатами [52], полученными для лазера, работающего с меньшей мощность (5 -г 12 мВт), показали, что абсолютные значения амплитуды флуктуации имеют близкие значения и составляют 6 10 17Вт2Гц-1. Из этого следует, что возрастание средней мощности в нашем случае не привело к значительному увеличению абсолютного значения флуктуации, так что относительные флуктуации уменьшились на порядок.
Интересным также представлялось сравнение экспериментальных значений флуктуации с теоретическим пределом, обусловленным "естественными" флуктуациями за счет спонтанного излучения для одночастотного режима генерации. Согласно [53] для спектральной плотности g(f) в пределе низких частот имеем где а — фактор вклада спонтанного излучения в моду [54] (в нашем случае а « 1 Ю-5), п = "Р - относительное превышение накачки над пороговым током лазерной генерации, Р- выходная мощность излучения лазера, г - время жизни фотона в резонаторе (в нашем случае т as 3.3 Ю-12 сек). Для наибольшей мощности Р = 60 мВт (см. рисунок 3.10а) превышение над порогом г/ = 3 2, подставляем эти значения в (3.8) и получаем g(f) » 1.3 10_19Вт2Гц_1, что на два порядка меньше экспериментально полученного значения
Из этой оценки следует, что спонтанное излучение само по себе не является причиной флуктуации мощности для исследованных лазеров Тем не менее оно может играть косвенную роль, вызывая переключения лазерной генерации с одной моды на другую в неустойчивой рабочей точке Соотношение (3 8) получено для лазера, способного работать только на одной частоте и не учитывает наличие других подпороговых мод. Однако в нашем случае лазер способен работать на нескольких модах и процесс переключения мод оказался основным источником флуктуации. Поэтому оценка в соответствии с (3 8) может представлять только предельное значение спектральной плотности флуктуации, когда подавлено переключение мод и, более того, наличие подпороговых мод несущественно
Измерения степени поляризации выходного излучения типичного гребневого лазера показали, что излучение линейно поляризовано Это обосновывает применение скалярного приближения в описании волноводных свойств гребневых лазеров. Экспериментально показано, что в гребневых лазерах вертикальное распределение поля не зависит от величины тока накачки.
Для экспериментально исследованных высокояркостных лазеров показано, что 2D распределение интенсивности в ближней зоне можно с хорошим приближением представлять в факторизованном виде - как произведение двух соответствующих одномерных распределений. Это также упрощает как задачу регистрации 2D распределения интенсивности излучения лазеров гребневого типа, так и задачу моделирования распределения интенсивности по сечению пучка Представление поля в факторизованном виде и независимость распределения вертикальної о поля от тока накачки позволяюі свести 3-х мерную волноводную задачу моделирования излучательных характеристик полупроводникового лазера к двумерной (главы 4, 5), что существенно сокращает вычислительные затраты
Экспериментально получено, что увеличение мощности в режиме поперечно-одномодовой генерации может приводить к одночастотной генерации, тек режиму, в котором подавлены все аксиальные моды за исключением одной — лазерной.
В результате исследований шумовых характеристик показано, что в пространственно одномодовых лазерах уровень низкочастотных флуктуации мощности излучения находится в диапазоне б Ю-17 -г Ю-15 Вт2 Гц-1 при средней выходной мощности 60 мВт и определяется стабильностью режима генерации. Нижнему пределу соответствует "спокойный" режим генерации, в спектрально-устойчивой рабочей точке, в то время как верхний предел соответствует режиму переключения мод. В "спокойном" режиме генерации компонента -, флуктуации минимальна, а амплитуда флуктуации распределена по нормальному закону Однако даже в "спокойном" режиме генерации спектральная плотность флуктуации превышает на 2 порядка теоретический предел, обусловленный спонтанным излучением для лазера с одной модой. Вышесказанное свидетельствует о том, что наличие подпороговых мод в реальном лазере по всей видимости приводит к значительному увеличению уровня флуктуации
Показано, что 4 компонента шума в исследованных лазерах связана с переходами из "спокойного" режима генерации в режим частого переключения мод. При этом возрастает так же и компонента "белого" шума, а закон распределения амплитуды флуктуации становится отличным от нормального Дальнейшее уменьшение уровня флуктуации может быть связано с использованием не только просгранственно-одномодовых, но и спектрально-одномодовых волноводов, за счет чего можно было бы исключить не только режим переключения мод, но и существенно подавить подпороговые моды и соответственно уменьшить их роль в лазере
