Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые лазеры, обладающие высокой температурной стабильностью параметров лазерной генерации, в частности, длины волны, необходимы для широкого набора применений. Среди них можно отметить системы накачки твердотельных лазеров и усилителей, где необходимо возбуждать активную среду с узкой линией поглощения [1]. Также полупроводниковые лазеры находят все более широкое применение в медицине. В медицинских применениях длина волны лазера очень важна, поскольку она должна соответствовать узким линиям поглощения живых тканей или вводимого маркера. Отклонение рабочей температуры лазера от заданной всего на несколько градусов может вызвать рассогласование длины волны излучения прибора и спектра поглощения среды, приводя к значителыюму падению эффективности твердотельного лазера с диодной накачкой или воздействия излучения на организм. Кроме того, стабилизация длины волны важна в системах передачи данных, в частности, для создания систем передачи данных со спектральным уплотнением сигнала [2].
Недостаток традиционных торцевых лазеров заключается в том, что длина волны лазерной генерации не стабилизирована и смещается в сторону больших длин волн по мере увеличения температуры прибора. Это вызвано изменением ширины запрещенной зоны полупроводника с температурой. Чтобы обеспечить температурно-стабильную работы полупроводникового лазера по длине волны можно использовать различные подходы. Сегодня широко применяются внешние системы стабилизации температуры, которые входят в состав готовых устройств, усложняя конструкцию и снижая коэффициент полезного действия. Другим подходом является разработка лазеров, длина волны излучения которых слабо изменяется с температурой. Это позволяет в некоторых случаях отказаться от внешних стабилизаторов температуры, сделать конструкцию приборов проще и надежней.
Среди последних нужно выделить лазеры с распределенной обратной
связью (РОС-лазеры) [3,4]. Их основным преимуществом является одночастотныи режим генерации. В лазерах этого типа продемонстрирован температурный сдвиг длины волны лазерной генерации на уровне 0.08-0.1 нмК"1. Однако, РОС-лазеры достаточно дороги, что обусловлено сложной технологией изготовления. Также они зачастую не обеспечивают высокую оптическую мощность излучения.
Реализацией другого подхода являются вертикально-излучающие лазеры, которые также обеспечивают уменьшенный температурный сдвиг длины волны лазерной генерации. Для приборов спектрального диапазона 980 нм на основе квантовых ям GalnAs/GaAs температурный сдвиг обычно составляет 0.06-0.08 нмК"1 [5]. Главным недостатком лазеров этого типа для упомянутых выше применений является их малая выходная оптическая мощность.
Таким образом, поиск новых подходов для создания мощных (>100 мВт) полупроводниковых лазеров с высокой температурной стабильностью длины волны излучения является весьма актуальной задачей.
Основной целью настоящей работы являлось исследование особенностей лазерной генерации в инжекционных торцевых полупроводниковых лазерах, излучающих в диапазоне 980-1300 нм, со спектрально-селективными потерями и спектрально-зависимым фактором оптического ограничения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые исследованы характеристики торцевых инжекционных лазеров нового типа на основе системы двух связанных волноводов.
Показано, что в торцевых лазерах на основе туннельно-связанных волноводов можно управлять температурной зависимостью порогового тока.
Впервые исследованы основные характеристики торцевых инжекционных лазеров нового типа со спектрально-селективными потерями.
Продемонстрирована возможность получения одночастотной генерации торцевого лазера с пленарным многослойным интерференционным отражателем в составе волновода.
Для лазеров со спектрально-селективными потерями и с туннельно-связанными волноводами продемонстрирована повышенная, по сравнению с обычными торцевыми лазерами, температурная стабильность длины волны генерации.
Практическая значимость работы:
Лазеры с туннельно-связанными волноводами являются перспективными источниками мощного лазерного излучения с низкой расходимостью пучка (~1 град.). Они могут найти широкое применение в системах накачки твердотельных лазеров, лазерной обработке материалов и других областях.
Лазеры со спектрально-селективными потерями перспективны для использования в системах связи, медицине и других областях, где требуется излучение высокой степени монохроматичности и большой оптической мощности.
Положения, выносимые на защиту:
-
В торцевых инжекционных лазерах на основе туннелыю-связанных планарных волноводов температурная зависимость длины волны генерации определяется температурной зависимостью показателей преломления слоев, формирующих волновод.
-
Спектральное рассогласование усиления и оптической моды в торцевых лазерах с туннельно-связанными планарными волноводами позволяет управлять температурной зависимостью порогового тока.
-
Введение спектрально-селективных потерь за счет использования планарного многослойного интерференционного отражателя в волноводе торцевого шшекционного лазера позволяет увеличить температурную
стабильность длины волны излучения и получить одночастотную лазерную генерацию.
Апробация работы
Основные результаты докладывались:
на 10-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, опто- и наноэлектронике, 1-5 декабря 2008 г., Санкт-Петербург, Россия;
на XIV международной конференции «ОПТИКА ЛАЗЕРОВ - 2010», 28 июня - 2 июля 2010 г., Санкт-Петербург;
на Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА», 27-28 октября 2010 г., Санкт-Петербург;
на Всероссийском симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», 10-12 ноября 2010 г., Санкт-Петербург;
а также на научных семинарах Санкт-Петербургского Академического университета - научно-образовательного центра нанотехнологий РАН и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
Публикации. Основные результаты изложены в 7 печатных работах, в том числе, в 5 научных статьях и в 2 материалах конференций.
Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение.
