Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию ряда пространственно- временных и временных неустойчивостей в оптически бистабильных полупроводниковых интерферометрах и аналогичных неустойчивостей в кнжекционных лазерах.
Актуальность темы. Система называется оптически бистабильной, если при одном и том же значении интенсивности входного светового сигнала в некоторой области его изменения интенсивность выходного (прошедшего или отряженного) светового сигнала может иметь два значения. Если интенсивность выходного сигнала может иметь при одной и той же входной интенсивности три или более значений, то говорят о тристабильности и мультистабильности. Для получения бистабилытого отклика необходимы нелинейность системы и наличие обратной связи. Принята следущая классификация бистабильных систем. Система обладает абсорбционной или дисперсионной бистабильностью в соответствии с тем, возникает ли обратная связь из - за того, что от интенсивности падающего сигнала зависит коэффициент поглощения или показатель преломления вещества, из которого сделана система. Во многих случаях существенны оба механизма одновременно. Система называется собственно бистабильной, когда зависимость ее характеристик от интенсивности есть результат непосредственного взаимодействия излучения с веществом. Система ' называется гибридной когда организуется следущая обратная связь: в систему возвращается сигнал, определяемый откликом детектора прошедшего светоюго потока. В настоящей работе рассматриваются собственно бистабильные системы.
Изучение оптической бистабильности важно с практической точки зрения для создания систем управления лазерным излучением,
устройств оптической связи, оптических систем обработки информации. Речь идет об одиночных переключателях, а также дискретных или непрерывных массивах оптически бистабильных элементов, отражение или пропускание которых может контролироваться либо с помощью электроники, либо с помощью внешней световой накачки. У оптических переключателей имеются значительные преимущества по сравнению с электрическими: быстродействие; отсутствие . принципиальных ограничений на уменьшение мощности, приходящейся на одну операцию; благодаря волновой природе света возможно получение недостижимой для электроники степени распараллеливания процессов обработки информации.
В научном плане широко понимаемое явление оптической бистабильности (с множеством сопутствующих явлений) представляет собой важный раздел современной нелинейной оптики.
Полупроводниковые бистабильные элементы имеют ряд преимуществ перед элементами из других материалов. Основные преимущества состоят в следующем: полупроводники обладают большими оптическими нелинейностями; благодаря таким нелинейностям толщина образца может быть сделана малой, что позволяет создавать устройства микронных размеров и делает возможным их интеграцию; времена переключения бистабильных элементов уже доходят до нескольких пикосекунд.
Явление оптической бистабильности сопровождается множеством временных и пространственно - временных неустойчивостей, развитие которых приводит к существованию автопульсаций пропускания и отражения света, волн, бегущих в направлении, поперечном направлению распространения волны накачки, возникновению в плоскости апертуры статических структур светового поля,
кошенраций электронов, тепла и т.д. Эти нелинейные эффекты (поперечные эффекты по принятой терминологии) очень интересны с общенаучной точке зрения как процессы самоорганизации
Для практического использования от оптических бистабильных элементов требуется стабильность работы и воспроизводимость характеристик. Для выбора устойчивых режимов работы важно исследование неустойчивостей оптических бистабильных элементов. Сами неустойчивости также находят практическое применение. Возможно использование неустойчивостей для генерации коротких световых импульсов; использование колебательных режимов для модуляции света; создание новых элементов для оптического компьютинга, например, генераторов тактовых частот.
Близкие физические проблемы возникают в лазерах (в частности, в инжекционных полупроводниковых лазерах) с большой апертурой, вдоль которой могут возникать сложные неравновесные структуры в виде статических и пульсирующих самофокусправочных нитей, детальное понимание природы которых отсутствует.
Важным стимулом к изучению поперечных эффектов является возможность использования оптически бистабильных устройств в качестве элементов оптического компьютера. При этом возникают вопросы о минимальном поперечном размере такого элемента, механизмах связи между элементами, плотности записи информации, для ответа на которые тзкже необходимо тщательное изучение поперечных эффектов.
Целью работы являлось:
- теоретическое исследование поперечных пространственно-временных неустойчивостей в полупроводниковых интерферометрах
Фабри - Перо, с концентрационным и экситонным механизмами оптической нелинейности;
изучение динамики формирования нелинейных поперечных структур в интерферометрах Фабри - Перо с концентрационным механизмом нелинейности;
исследование условий возникновения поперечных неустойчивостей и изучение нелинейной динамики самофокусировочных нитей в широкоапертурных инжекционных лазерах;
изучение временных неустойчивостей и некоторых видов нелинейных пульсаций в инжекционных лазерах с внешней световой накачкой и оптических бистабильных элементах с двумя активными модами.
Научная новизна и практическая значимость работы Пространственно - временные неустойчивости в оптически бистабильных полупроводниковых системах и инжекционных лазерах весьма разнообразны и сложны. В работе используются простые по постановке модели, позволяющие достаточно полно изучить физические явления в широкоапертурных оптически бистабильных элементах и лазерах с одной продольной модой резонатора и примыкающим к ней спектром поперечных мод. Учитываются временная и пространственная дисперсии и основные механизмы нелинейности среды, заполняющей резонатор. Результаты анализа неустойчивостей существенно дополняются численным моделированием соответствующих нелинейных режимов. Впервые исследованы пространственно - временные неустойчивости в резонаторной и безрезонаторной оптически бистабильных системах с когерентными экситонами. Выяснена роль динамики среды в возникновении неустойчивости относительно периодического расслоения поля и квазичастиц в интерферометре
Фабри - Перо. В случае безынерционной нелинейности и без учета пространственной дисперсии среды эта неустойчивость предсказана в работе [ 11. Впервые проанализирована динамика самофокусировочных нитей в инжекционных лазерах. Предсказана новая мода в спектре низкочастотных флуктуации лазера, существование которой подтверждено экспериментально в ИРЭ РАН. Изучены временные неустойчивости и нелинейные режимы автопульсаций нового оптического элемента, являющегося гибридом оптического бистабильного переключателя и лазера с оптической накачкой. Подробно изучен режим биений в инжекционном лазере с монохроматической подсветкой в случае большой расстройки между частотой подсветки и собственной частотой генерации. Обнаружена автомодуляция биений, возникающая при высокой интенсивности подсветки.
Исследование неустойчивостей в оптических бистабильных элементах и полупроводниковых лазерах представляет значительный интерес в связи с возможностью использования этих неустойчивостей в различных устройствах, в том числе в устройствах обработки информации и в устройствах для управления лазерным излучением, а также в качестве моделей процессов самоорганизации в активных, далеких от равновесия средах.
Для практического использования оптических переключающих элементов требуется стабильность их работы и воспроизводимость выполняемых операций. Для выбора устойчивых режимов работы также важно исследование неустойчивостей и динамики оптических бистабильных элементов.
Основные результаты работы, выносимые на защиту состоят в следующем:
1..Неустойчивость относительно мягкого возникновения поперечной периодической структуры поля и квазичастиц (неустойчивость типа Тьюринга 121), впервые рассмотренная в Ш применительно к диэлектрическому интерферометру Фабри - Перо, существует и в полупроводниковых резонаторах. Учет динамики и пространственной дисперсии среды изменяет условия возникновения Тыоринговской неустойчивости, а также дополнительно приводит к неустойчивости некоторых волновых мод. Процесс формирования нелинейных структур при малом числе неустойчивых мод согласуется с линейным анализом.
-
Безрезонаторная система когерентных экситонов Ваннье-Мотта в заданном поле внешней световой волны неустойчива относительно расслоения. Найдено пороговое условие неустойчивости и пространственный период раслоения на пороге. В системе "когерентные экситоны - резонатор" возможно сосуществование неустойчивостей относительно расслоения и самовозбуждения поперечных мод.
-
Наблюдаемые в инжекционных лазерах самофокусировочные нити возникают как результат усреднения во времени динамической картины наложения множества самовозбуждающихся поперечных мод. Численное моделирование нелинейных структур с малым и большим числом самовозбуждающихся мод подтверждает эту трактовку.
-
На фоне указанной многомодовой картины возникает новая линия в спектре низкочастотных флуктуации лазера, которая интерпретируется как аналог электрон - фотонного резонанса гри наличии высокочастоных колебаний.
-
В полупроводниковом интерферометре при взаимодействии
накачиваемой основной продольной моды с менее добротной лазерной модой существуют высокочастотные автопульсации, период которых управляется интенсивностью накачки в широких пределах.
6. В случае высокочастотных биений одномодового инжекционного лазера с монохроматической подсветкой при больших расстройках обнаружен новый нелинейный режим автомодуляшш биений, который может быть использован для формирования коротких импульсов света.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт - Петербург, 1991 г.) и на Европейской конференции по квантовой электронике (Эдинбург, 1991 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Их список приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. В ней содержится 110 страниц машинописного текста и 34 рисунка. Библиография содержит 181 наименование.
