Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые икжекционные InGaAsP/ InP (я=1.5-1.6 мкм) лазеры с распределенной обратной связью (РОС) являются самыми распространёнными источниками излучения для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи большой ПрОТЯКЗН-ности. Это обусловлено, во-первых, минимальными оптическими потерями в волоконных световодах в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм и, во-вторых, одночастотным в динамическом режиме спэктром генерации таких лазеров, что минимизирует дисперсионное "расшивание" информационных световых импульсов при их распространении по оптическому волокну. Важнейшими параметрами лазера как источника излучения в системах волоконно-оптической связи являются ширина линии генерации к полоса прямой токовой модуляции, определяющая быстродействие системы.
Замечательным достоинством полупроводниковых лазеров является их способность излучать ультракороткие оптические импульсы (УКИ) длительностью от долей до десятков пикосекунд. Область применения УКИ очень широка - это спектроскопия, метрология быстро-протекающих процессов, исследование скоростных фотонрибмников, системы оптической связи и т.д. Основными способами генерации УКИ являются методы модуляции усиления, модуляции добротности и синхронизации мод. При этом метода пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации мод представляются более перспективными, т.к. не требуют для своего осуществления никаких, внешних управляющих воздействий.
Несмотря на значительное число публикаций, посвяигённнх получению и исследованию генерации УКИ з полупроводниковых лазерах, вопросы повышения быстродействия РОС-лазеров и совершенствоваїшя методов получения ультракоротких световых импульсов остаются до настоящего времени недостаточно разработанными, особенно в спектральной области 1.5-1.6 мкм.
Этим и определяется актуальность темы данной диссертации.
Целью данной диссертационной работа являлось:
-
Исследование возможностей повышения быстродействия InGaAsP/InP (А.-1.55 мкм) лазеров с распределенной обратной связью.
-
Практическая реализация и исследовашіе особенностей режимов пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации про-
дольных мод в InGaAsP/InP лазерах, работающих в спектральном диапазона 1.5-1.6 мкм. Научная новизна работы заключается.в следующем:
-
Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование вопросов повышения быстродействия лазеров с распределённой обратной связью. Рассмотрено влияние на быстродействие лазера таких ключевых его характеристик как эффективность обратной связи и расстройка длины волны брэггоЕской генерации относительно максимума кривой усиления.
-
Произведена оценка влияния имплантации тяжЗлых высокоэнерге-тичных ионов на времена жизни неосновных носителей заряда в материале InGaA&P с составом, соответствующим ширине запрещённой зоны 0.785 sFu
-
Экспериментально получен и исследован режим пассивной модуляции добротности в лазерах спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с насыщающимся поглотителем, созданным ионной имплантацией. -.
-
Разработан метод определения длительности пикосекундных импульсов оптического излучения в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, использующий внутреннюю генерацию второй гармоники в по-лупроводнакоЕом лазере.
-
Получена самосинхронизация продольных мод в InGaAsP/InP (\=1.55 мкм) лазере с объёмным активным слоем (толщиной 0.1 мкм)' и длиной резонатора 400 мкм. Насыщающийся поглотитель создан имплантацией ионов ь торцы лазера.
-
С4юрмироЕэна последовательность суогшкосекундных солитонных импульсов, следующих с частотой повторения 100 ГГц.
Основные результаты, перечисленные в заключении по диссер
тации, были получены зпёрвые. .. ..
Практическая ценность заключается... в. создании лабораторных образцов быстродействующих полупроводккковых лазеров различного типа, работающих в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм. ... 1. Разработаны прибора со следующими характеристиками:
а. Лазеры с распределённой обратной связью и шириной .внутренней'.
полосы модуляции до 15 ГГц. .'',"
б. Лазеры с пассивной модуляцией добротности, излучающие оптичес
кие импульсы длительностью около 20 пс и частотой следования до
10 ГГц. Энергия и пиковая мощность импульсов составляют 3-6 пДж и
- 5 -150-300 мВт, соответственно.
в. Лазеры с режимом пассивной синхронизации мод, генерирующие непрерывную с частотой более 100 ГГц последовательность субпкко-секундных оптических импульсов (т=0.Є4 ПС).
-
Изготовлен лабораторный макет оптической системы, генерирующей последовательность солитонных суСпикосекундннх оптических импульсов с частотой следования 100 ГГц.
-
Предложена методика измерения, длительности пякосвкундннз. оптических импульсов для спектрального диапазона длин волн 1.5-1.6 мкм.
Перечисленные характеристики делают разработанные гетэрола-зеры уникальными источниками оптического излучения для различных технических и научных применений. Они могут быть с успехом использованы в волоконно-оптических линиях связи (в том числе соли-тонных), системах метрологического обеспечения, тестирования оп-тсэлоктрояных компонентов, при спектроскопических исследованиях с высоким временным разрешением и т.д.
На защиту выносятся следующие научные положения: Положение 1 (о быстродействии,РОС-лазеров с коротковолновой расстройкой )
Скоростные свойства РОС-лазеров (х.=1.5-1.6 мкм) с сильной связью (K-L>1) и ненулевыми значениями коэффициента отражения на зеркалах, могут быть существенно улучшены при реализации брэг-говской генерации с сильной коротковолновой расстройкой (более 30 нм). С этой целью вблизи одного из торцов создают поглощающую область путбм имплантации тяжелых ионов азота с дозой (1-5).1012 ион/см , а линию генерации располагают на коротковолновом склоне полосы усиления за счЭт выбора периода решётки.
Положение 2 ( о модуляции добротности в ШСаАзР лазерах ) Использование в полупроводниковых InGaAsP/InP (\=1.5-1.6 мкм) лазерах с внутренней модуляцией добротности насыщающегося поглотителя, созданного глубокой имплантацией тяиЗлых ионов и обладающего малыми временами релаксации, позволяет достигать пи-косокундных значений длитольности генерируемых световых импульсов (utc*20 пс), 'высоких частот повторения ( до «10 ГГц), большого динамического диапазона существования пульсаций ( до (4-5) 1П0 г.) и высокой импульсной мощности (до 300 мВт) генерируемых
-6-, .
импульсов.
Положение з (об измерении длительности пикосекундных импульсов )
В спектрах излучения InGaAsP/InP лазеров, работающих в реки-:
ме модуляции добротности с длиной волны генерации в спектральном
диапазоне 1.5-1.6 мкм,присутствует полоса от.внутрирезонаторно#
генеращи второй гармоники. Длительность излучаемых пикосекундных'
импульсов определяется путём сравнения средних мощностей излуче-
ния второй гармоники при работе лазера в режиме генерации пикосе-*
кундных импульсов и при излучении "опорных" импульсов, длитель-
ность которых известна. -. - -:
Положение 4(0 синхронизации мод j
Использование сверхбыстрого насыщающегося поглотителя, созданного имплантацией тяжёлых ионов, позволяет реализовать в, InGaAsP/InP (а=1 .5-1.6 мкм) лазере с объёмным активным слоем рет жим пассивной синхронизации мод с частотой следования субпикосвт кундных импульсов более 100 ГГц. - '
Апробация работы . '-,'';. ...
Основные результату диссертационной работы докладывались н@ совместном Советско-американском семинаре "Электрооптика" (Москва, сентябрь 1989), 5-й Всесоюзной конференции по физическим npcV. цессам в полупроводниковых гетерострухтурах (Калуга, октябрь' 1990), 3-й Международной конференции по фосфиду индия и материалам на его основе (Кардифф, Великобритания,: 8-II апреля 1991), 14-й Международной конференции по полупроводниковым лазерам (Га--ваи., США, сентябрь 1994), 20-й Европейской конференции по оптической связи (Flrenze, сентябрь 1994).
Публикации . .'.'.;.'.-
Материала диссертации опубликованы в 14 печатных работах.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из.введения, четырёх глав,'заключения и' списка цитированной литературы. Общий.объём диссертации составля-'. ет 154 страницы, в том числе 98 страниц основного текста, 42 рисунка на 42. страницах и 2 таблицы. Список цитированной литературы, включает в себя 105 наименований и занимает 14 страниц.