Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые инжекциокные лазеры представляют собой один из наиболее перспективных источников когерентного оптического излучения. Присущие им миниатюрность, простота управления параметрами излучения и высокая эффективность преобразования энергии накачки открывают широкие возможности использования инжекодонных лазеров в таких областях науки и техники, как оптическая связь, спектроскопия, квантовая метрология, приборостроение оптического диапазона и т.д. Практически во всех указанных применениях определяющее значение имеют когерентные свойства источника и связанный с ними спектральный состав излучения, а также флуктуационные характеристики лазера, а именно -уровень и спектральные особенности шума интенсивности и частоты генерации.
Отличительной особенностью класса инжекодонных лазеров является сочетание короткого собственного резонатора с низкой добротностью и широкой спектральной линии усиления активного вещества. Вследствие этого полупроводниковые лазеры имеют склонность к многочастотной генерации, что обуславливает актуальность задачи управления и контроля спектра излучателя, а также разработки на базе инжекционных гетероструктур стабильных когерентных источников излучения с узкой шириной линии генерации. При этом источниками шума в полупроводниковых лазерах выступают квантовые флуктуации числа фотонов и инжектированных носителей, связанные с актами спонтанного излучения и усиливаемые конкурентным взаимодействием мод. В низкочастотной части флуктуационного спектра излучения присутствует избыточный фликкер-шум, обусловленный техническими источниками нестабильности, характеризующими режим работы излучателя, а также специфическими процессами в полупроводниковой активной среде. Еще одной отличительной особенностью полупроводниковых инжекционных лазеров является наличие сильной взаимосвязи частоты генерации с интенсивностью излучения. Такая взаимосвязь приводит к специфическому, присущему только полупроводниковым лазерам сложному взаимовлиянию спектрального состава излучения, флуктуации мощности и частоты генерации.
Проблемы, связанные с вышеуказанными особенностями генерации инжекционных лазеров, оказались в центре внимания исследователей
в конце 70-х годов, когда встал вопрос о серийном приборостроении с инжекционным лазером в качестве основного элемента схемы. В течение ряда лет была разработана общая математическая модель, учитывающая специфику полупроводникового лазера, получены основные соотношения, описывающие статистику шумовых источников, проанализированы фундаментальные особенности спектрального состава излучения для разных структур излучателей.
Наиболее широкое распространение к настоящему времени получили непрерывные лазеры на гетероструктурах GaAs/GaAlAs. В последние годы происходит освоение новых диапазонов частот излучения, включая и далекую ИК-область спектра (лазеры на соединениях InGaAsP , на солях свинца и т.д.). Появляется и значительное количество новых технологических структур, обеспечивающих более эффективные параметры лазерной генерации (лазеры с распределенной обратной связью, лазеры на квантовых ямах, решетки сфазироеаюшх лазерных диодов и т.п.). Однако всем появляющимся вновь структурам полупроводниковых лазерных излучателей, отличающихся между собой и по химическому составу, и по технологической конструкции лазерного диода, присущи в той или иной степени (а иногда даже более остро) те же основные проблемы, которые исторически впервые возникли при исследовании лазеров на GaAs. Таким образом, все полупроводниковые лазерные структуры имеют общие специфические условия формирования когерентного излучения и схожие особенности эффективного управления лазерными параметрами, что и определяет единый подход к решению проблемы снижения уровня флуктуации излучения и обеспечения стабильной одночастотной генерации в широком диапазоне- рабочих параметров.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование особенностей спектральных характеристик излучателей, работающих в условиях внешней оптической инжек-ции. систематизированный анализ флуктуации излучения инжекционных лазеров на примере структур GaAlAs. а также разработка.и оптимизация методов управления лазерным излучением с применением систем оптической стабилизации. .
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались классические методы радиофизики, методы математической физики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методик оптических измерений и статистической обработки полученных данных.
Научная новизна работы.
-
Исследованы флуктуационные характеристики излучения GaA-lAs лазеров с различным спектральным составом и определены основные факторы, обуславливающие спектрально-флуктуационные особенности излучения. В результате проведенного анализа выявлена превалирующая роль спонтанного излучения и конкурентного взаимодействия мод в установлении результирующих параметров генерации при умеренных уровнях накачки инжекционного лазера ( ИЛ ) .
-
Проанализированы особенности флуктуации отдельной лазерной моды излучателя, работающего в квазиодномодовом и многомодо-вом режиме генерации. Показано, что доминирующим фактором, определяющим оптический шум лазерной моды в припороговой области, являются вариации усиления в активном слое независимо от природы их происхождения.
-
Реализованы и проанализированы методы стабилизации излучения ИЛ ( в том числе и отдельной мода генерации ) за счет использования оптической обратной связи по цепи питания лазера и с использованием внешнего электрооптического элемента. В результате исследований разработан макет одночастотного стабилизированного малошумящего источника лазерного ИК-излучения на базе серийного отечественного ИЛ .
-
Предложено, реализовано и защищено авторскими свидетельствами несколько эффективных схем ИЛ с внешним резонатором, позволяющих получить устойчивую одночастотную генерацию с пониженным уровнем флуктуации на лазерных диодных излучателях, склонных к многомодовому спектру генерации (короткий ВР , интегральный сферический ВР с частичным просветлением грани кристалла., волоконный ВР ).
-
Рассмотрен режим неустойчивости генерации ИЛ. обусловленной нарушением динамического равновесия числа носителей и фотонов под влиянием оптической внешней инжекции. Доказано, что амплитудно-фазовые условия генерации в ИЛ с внешним резонатором приводят
к несимметричному по частоте влиянию внешних источников нестабильности на формлрование спектра излучателя и его динамическую устойчивость.
Практическая значимость результатов. В результате теорети
ческих и экспериментальных исследований были намечены основные
пути повышения стабильности параметров генерации и обеспечения
эффективного управления основными характеристиками лазерного из
лучения. Проведенный нами систематизированный количественный ана
лиз показывает, что несмотря на значительный разброс излучатель-
ных спектрально-флуктуационньк параметров разных типов лазеров
основные свойства излучателей определяются общими закономерностя
ми, вытекающими из особенностей взаимодействия лазерного поля с
активной полупроводниковой средой. Такая ситуация позволяет на
основе выявленных специфических особенностей прогнозировать пове
дение более сложных лазерных конфигураций; продолжающих появлять
ся в последние годы.(лазеры на квантово-размерных слоях, лазеры с
распределенной обратной связью и т.п.), а также создавать на базе
лазерных диодов оптоэлектронные системы, наиболее полно использу
ющие потенциальные возможности полупроводниковых лазерных струк
тур.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзной конф. "Флуктуационные явления в физических системах" ( г.Пущино, 1985г.), Всероссийском н.-т. семинаре "Стабилизация частоты" (г.Горький, 1988г.), VI Всесоюзной школе-совещании по стабилизации частоты (г.Канев,' 1989г.). Всесоюзном совещании "Низкочастотные шумы в полупроводниковых приборах и устройствах" (г.Черноголовка, 1991г.). Всесоюзной н.-т. конф. "Метрологические проблемы микроэлектроники" (п.Менделеево, Моск.обл., 1991г.), III Всесоюзном н.-т.семинаре "Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов" (г.Москва. 1991г.). Международных научных конференциях "Оптика лазе-ров-93" (г.Санкт-Петербург. 1993г.), "Лазерные технологии-95" (г.Шатура. 1995г.). а также на ежегодных научных конференциях радиофизического ф-та ННГУ и семинарах каф. квантовой радиофизики.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [2-6.9-14,18,20-22], а также изданиях трудов всесоюзных и международных конференций [1.15-17.19J.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения. Объем диссертации составляет 158 страниц основного текста. 51 рисунок и Ітаблицу. Список литературы включает 212 наименований.
