Введение к работе
з-
Актуальность темы. Инжекционные лазеры на основе InGaAsP/InP с длиной волны генерации в области 1.5-1.6 мкм с распределенной обратной связью (РОС) являются оптимальными источниками излучения для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи большой протяженности. Это обусловлено, во-первых, тем, что данная спектральная область соответствует минимуму оптических потерь в современных кварцевых волоконных световодах и, во-вторых, одночастотным в динамическом режиме спектром генерации таких лазеров, что минимизирует увеличение длительности информационных световых импульсов при их распространении по оптическому волокну с ненулевой дисперсией. Важнейшими параметрами инжекционных лазеров, предназначенных для систем оптической связи, являются ширина генерируемой спектральной линии, устойчивость одночастотного режима генерации и предельная частота внешней токовой модуляции, определяющая быстродействие системы.
Излучательные характеристики полупроводниковых лазеров могут быть существенно улучшены методами зонной инженерии, т.е. управлением составами и толщинами эпитаксиальных слоев. Например, изменение взаимного расположения подзон легких и тяжелых дырок в валентной зоне приводит к изменению эффективной массы дырок, модификации спектров оптического усиления для излучения с различной поляризацией и т.д. Таким образом, методами зонной инженерии могут быть созданы полупроводниковые лазеры с переключением поляризации излучения и поляризационной бистабильностью. Лазеры с поляризационной бистабильностью выгодно отличаются от других бистабильных полупроводниковых лазеров тем, что при их переключении не меняется концентрация неравновесных носителей заряда, что позволяет снять обычные ограничения (время жизни) на скорость переключения. Наиболее интересно исследование поляризационных аномалий в лазерах с РОС, где резонатор обладает меньшей поляризационной селективностью в сравнении с резонатором Фабри-Перо, поэтому можно ожидать возникновения поляризационных аномалий при меньших внутренних деформациях.
Несмотря на наличие значительного числа научных публикаций, посвященных исследованию полупроводниковых РОС-лазеров различных конструкций, многие вопросы, связанные с улучшением параметров лазеров, предназначенных для систем оптической связи, остаются до настоящего времени недостаточно разработанными.
A-
Этим и определяется актуальность темы данной диссертации. Целью данной работы являлось исследование спектральных и динамических характеристик InGaAsP/InP (Х.= 1.5-1.6мкм) лазеров с распределенной обратной связью, анализ способов повышения их быстродействия и обеспечения одночастотного режима генерации. В задачи работы входило также исследование зависимости поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем от параметров лазерного диода и разработка экспресс-метода регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.
Научная новизна работы заключается в следующем: \. Проведено комплексное теоретическое исследование инжекционных InGaAsP/InP (К = 1.5-1.6 мкм) лазеров с "клиновидной" (за счет изменения по длине резонатора шага встроенной диффракционной решетки) структурой РОС. Количественно проанализировано влияние вариации периода решетки на спектральные характеристики лазеров с РОС.
-
Разработана технология создания дифракционных решеток для РОС-лазеров с плавно изменяющимся по длине резонатора периодом решетки. Определены условия получения максимальных значений вариации шага решетки.
-
Получено экспериментальное подтверждение теоретических выводов о нелинейной зависимости квадрата частоты релаксационных колебаний от выходной мощности. Экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний.
-
Проведено комплексное теоретическое исследование поляризации излучения инжекционных InGaAsP/InP лазеров с напряженным активным слоем. Впервые получено аналитическое выражение для зависимости времени переключения поляризации выходного излучения от параметров лазерного диода.
-
Изучена возможность "двойной" модуляции(током накачки и коэффициентом оптического ограничения) полупроводникового лазера для получения лазерного излучения с круговой поляризацией. Разработан метод прямого управления поляризацией лазерного излучения при практически постоянной выходной мощности, т.н. "скрамблирования".
-
Разработан экспресс-метод регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.
Основные результаты, перечисленные в заключении по диссертации, были получены впервые.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Предложена конструкция полупроводникового лазера с дифракционным выводом излучения и распределенным брегговским отражателем со стороны подложки. Показано что предложенная конструкция позволяет существенно повысить эффективность лазера и обеспечивает генерацию одночастотного излучения высокой мощности с расходимостью, определяемой дифракционным пределом.
-
Предложена конструкция полупроводникового лазера с РОС, в которой за счет малого изменения периода модуляции коэффициента преломления волновода по длине резонатора исключается появление брегговской щели в спектре излучения и достигается одночастотная генерация. Разработана технология создания РОС-лазеров с плавно изменяющимся по длине резонатора периодом решетки.
-
Теоретически исследована зависимость поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем от параметров лазерного диода, в результате чего:
а) найдена зависимость тока переключения поляризации излучения от параметров лазера, что позволяет заранее предсказать возможность переключения мод различных поляризаций или их бистабильности при изменении тока накачки.
о) найдена зависимость времени переключения поляризации лазерного излучения при изменении тока накачки от параметров лазера, что позволяет оптимизировать лазерную структуру для получения быстрого (порядка десятков пикосекунд) времени переключения поляризации лазерного излучения.
с) предложен способ плавной перестройки поляризации излучения полупроводникового лазера при постоянной мощности излучения путем "двойной" модуляции(током накачки и изменением фактора ограничения), что позволит исключить влияние случайно возникающей поляризационной селективности оптического волокна на стабильность работы волоконно-оптических линий связи.
4. Разработан экспресс-метод регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.
На защиту выносятся следующие научные положения: Положение 1 (о релаксационных колебаниях в полупровобниковых лазерах). Получено экспериментальное подтверждение теории нелинейной зависимости квадрата
частоты РК, обусловленннон насыщением усиления, от выходной мощности. Теоретически предсказана и экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний, что объясняется ухудшением ватт-амперной характеристики лазерных диодов при введении области насыщающегося поглотителя.
Положение 2 (об одночастопшой генерации в лазере с распределенной обратной связью, образованной периодической модуляцией коэффициента преломления). Использование дифракционной решетки со слабоменяюшимся шагом для организации распределенной обратной связи в полупроводниковом лазере позволяет исключить появление брегговской щели в спектре генерации и получить одночастотную генерацию на брегговской длине волны
Положение 3 (о времени переключения поляризации излучения полупроводникового лазера). Время переключения поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем при изменении тока накачки зависит от коэффициентов нелинейного усиления и не зависит от "линейных" параметров лазерного диода (времени жизни носителей заряда, концентрации прозрачности и т.д.)
Положение 4 (о плавной перестройке поляризации излучения полупроводникового лазера). "Двойная" модуляция (током накачки и изменением фактора ограничения) полупроводникового лазера с напряженным активным слоем позволяет получить плавную перестройку поляризации излучения при постоянной мощности излучения.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме SPIE "Optical science, engineering and instrumentation" (Денвер, штат Колорадо, США, август 1995), на 3 Международной конференции "Nanostructures: physics and technology" (С-Петербург, июнь 1997) а также на научных семинарах лаборатории интегральной оптики на гетероструктурах ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Публикации.
По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 7 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 114 страниц, в том числе 90 страниц основного текста, 24 рисунков на 24 страницах и I таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 60 наименований и занимает 9 страниц.
