ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С МНОГОВОЛНОВЫМ МОДУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
INJECTION LASER HAVING MULTIWAVE MODULATED EMISSION

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к инжекционным лазерам с многоволновым модулированным излучением.
Управление потоками лазерного излучения является важной задачей в области информационных систем, а также комплексов, использующих импульсное лазерное излучение. В известных инжекционных лазерах возможность получения управляемой последовательности лазерных импульсов обеспечивается либо прямой токовой модуляцией секции усиления, либо использованием внешних электрооптических модуляторов. В этом случае амплитуда генерируемого излучения задается амплитудой тока накачки, что ограничивает быстродействие при генерации мощных лазерных импульсов. В фотонных интегральных схемах для генерации лазерных импульсов на нескольких линиях используются дискретные элементы, что усложняет конструкцию. Обычно в подобных инжекционных лазерах управляемая последовательность лазерных импульсов обеспечивается прямой модуляцией тока накачки секции усиления. В этом случае генерация стимулированного излучения достигается за счет пропускания тока через полосковый омический контакт, размеры которого определяются шириной продольного волновода и длиной Фабри-Перо резонатора. Прямая модуляция тока накачки секции усиления обеспечивает увеличение или уменьшение количества инжектированных носителей заряда в активную область, которые в результате стимулированной рекомбинации уменьшают или увеличивают мощность, излучаемую Фабри-Перо модами (ФПМ), при токе накачки выше порога (L.A. Coldren, S.W. Corzine. - Diode lasers and photonic integrated circuits. (N.Y., John Wiley & Sons, 1995)). При использовании внешних электрооптических модуляторов мощность, излучаемая инжекционным лазером, непрерывна, и глубина модуляции определяется только количеством излучения, поглощенным в модуляторе, т.е. принцип малосигнального управления не выполняется и на один поглощенный фотон необходимо пропустить один электрон в цепи фототока модулятора. Для модуляторов в виде интерферометра Маха-Цендера необходима высокая когерентность излучения, что не позволяет использовать мощные инжекционные лазеры. Оптимальные конструкции известных модуляторов не совместимы с оптимальными конструкциями лазерных гетероструктур. В результате они используются либо в виде внешних дискретных элементов, что усложняет технологию производства за счет необходимости стыковки волноводов, либо в виде гибридных элементов, полученных в результате отдельного этапа заращивания гетероструктуры, что усложняет технологию изготовления таких гетероструктур. Все известные модуляторы работают только на одной линии генерации.
Известен инжекционный лазер (см. Sugawara, М., Hatori, N., Ishida, М., Ebe, H., Arakawa, Y., Akiyama, Т., Otsubo, K., Yamamoto, Т. and Nakata, Y. - Recent progress in selfassembled quantum-dot optical devices for optical telecommunication temperature-insensitive 10 Gb/s directly modulated lasers and 40 Gb/s signal-regenerative amplifier. - J. Phys. D Appl. Phys., 2005, 38, p.2126), включающий гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную гранями Фабри-Перо резонатора и протравленными мезаканавками, полосковый контакт с p-стороны.
Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности. Возможно только однополосное лазерное излучение.
Известно техническое решение, обеспечивающее получение управляемой последовательности импульсов, включающее инжекционный лазер, работающий в непрерывном режиме генерации и внешний модулятор в виде интерферометра Маха-Цендера (см. J.Е. ZUCKER, К.L. JONES, В.I. MILLER, AND U. KOREN. - IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 2, NO. I, JANUARY 1990 pp 32-34). В известном техническом решении управление интенсивностью непрерывного излучения инжекционного лазера обеспечивается изменением пропускания внешнего модулятора.
Недостатком данного технического решения является необходимость использовать дополнительные оптические элементы, что усложняет технологию изготовления такого типа приборов. Возможна работа только на одной заданной линии лазерного излучения.
Известен инжекционный лазер (см. J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Connors.L.J. Missaggia, W. Loh, G.M. Smith, K.G. Ray. F.J. O'Donnell, J.P. Donnelly and P.W. Juodawlkis Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser. - ELECTRONICS LETTERS, - 1 st April 2010 Vol.46 No.7 p.522-523), включающий AlGaAs/InGaAs гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную протравленными мезаканавками и гранями Фабри-Перо резонатора, имеет длину Фабри-Перо резонатора 5 мм с нанесенными просветляющими (5%) и отражающими покрытиями (95%). С p-стороны инжекция осуществлялась через полосковый контакт шириной 5,7 мкм. Электрическое ограничение формировалось за счет протравленных мезаканавок. Управляемая последовательность импульсов в полупроводниковом лазере была получена при накачке полупроводникового лазера импульсами тока амплитудой 2,3 А, длительностью 35 нс и частотой 2 МГц. Пиковое значение выходной оптической мощности составило 2,3 Вт.
К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также необходимость модуляции тока инжекции в области усиления, что требует увеличения амплитуды тока накачки для повышения амплитуды выходного оптического сигнала. Возможна работа только на одной заданной линии лазерного излучения.
Известен инжекционный лазер (см. N. Michel, M. Ruiz, M. Calligaroa, Y. Robert, M. Lecomte, O. Parillauda, M. Krakowski, I.Esquivias, H. Odriozola, J.M.G. Tijerob, C.H. Kwokc, R.V. Pentyc, I.H. White. - Two-sections tapered diode lasers for 1 Gbps free-space optical communications with high modulation efficiency Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. - Proc. of SPIE Vol.7616, 76161F · 2010 SPIE · CCC code: 0277-786X/10/$18 · doi: 10.1117/12.840702) на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктуры, включающий секцию управления длиной 1 мм, представляющую полосковую конструкцию, ограниченную в продольном направлении протравленными мезаканавками, и секцию усиления длиной 2 мм, характеризующуюся расширяющейся в плоскости слоев гетероструктуры под углом 40° областью инжекции. Секция усиления и секция управления были электрически изолированы друг от друга. Была получена управляемая последовательность оптических импульсов амплитудой 530 мВт при генерации случайной последовательности со скоростью 1 Гбит/с. Достигнутые импульсные характеристики были получены при непрерывной накачке секции усиления током 1,1 А и импульсной накачке секции управления током амплитудой 48 мА. Физический принцип работы предлагаемой конструкции заключался в следующем: оптический импульс, генерируемый импульсным током накачки в секции управления, усиливался, распространяясь в секции усиления. Секции усиления и управления образовывали составной Фабри-Перо резонатор, длина которого определялась суммами длин каждой из секций.
К недостаткам заявленного устройства можно отнести невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также работа только на одной заданной линии лазерного излучения
Известен самоосцилирующий лазерный диод (см. заявка KR 100818635, МПК H01S 3/0941, опубликована 02.04.2008). Известный лазерный диод включает секцию с распределенной обратной связью, секцию усиления, секцию фазовой подстройки и внешний источник тока инжекции, модулированного в радиочастотном диапазоне. Секция обратной связи выполняет роль зеркала. Секция усиления связана с секцией обратной связи и расположена в конце секции обратной связи. Секция усиления и секция обратной связи формируют Фабри-Перо резонатор. Внешний источник тока инжекции осуществляет накачку по меньшей мере части секции обратной связи и секции усиления. Внешний источник согласован с секциями накачки, что позволяет сохранить широкий диапазон перестройки частоты и генерирующий стабильные ультакороткие импульсы. Известный лазерный диод обеспечивает излучение стабильных оптических ультракоротких импульсов посредством модуляции тока инжекции в радиочастотном диапазоне. Известное изобретение позволяет получать последовательность оптических импульсов с частотой до 40 ГГц.
Недостатком известного лазерного диода являются низкие уровни выходной оптической мощности, которые достигаются при токах накачки, не превышающих 100 мА, а также невозможность выбора заданной последовательности выходных оптических импульсов. Генерация происходит на одной заданной линии лазерного излучения.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является инжекционный лазер (см. патент RU 2259620, МПК H01S 5/32, опубликован 27.08.2005). Инжекционный лазер-прототип содержит гетероструктуру раздельного ограничения, включающую многомодовый волновод, ограничительные слои которого одновременно являются эмиттерами p- и n-типа проводимости с одинаковыми показателями преломления, активную область, состоящую, по меньшей мере, из одного квантово-размерного активного слоя, расположение которой в волноводе и толщина волновода удовлетворяют соотношению
<mrow><msubsup><mi>Г</mi><mrow><mi>Q</mi><mi>W</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Г</mi><mrow><mi>Q</mi><mi>W</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow>
где
и
- факторы оптического ограничения для активной области нулевой моды и моды m (m=1, 2, 3…) соответственно. Инжекционный лазер содержит также отражатели, оптические грани, формирующие Фабри-Перо резонатор и омические контакты. Омические контакты и оптические грани формируют секцию усиления. Известный инжекционный лазер работает только в режиме генерации мод Фабри-Перо резонатора.
Известный инжекционный лазер имеет небольшую расходимость излучения при сохранении высокого значения КПД и выходной мощности излучения. Недостатком известного инжекционного лазера при работе в импульсном режиме является необходимость накачки импульсами тока секции усиления, амплитуда которых определяет уровень выходной оптической мощности, а также наличием переходных процессов при включении лазерной генерации, связанных с накоплением пороговой концентрации носителей заряда в активной области. Генерация происходит на одной заданной линии лазерного излучения.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка такой конструкции инжекционного лазера, которая бы обеспечивала изменение выходной оптической мощности и длины волны генерации электрическими сигналами управления существенно меньшей мощности и токовой амплитуды по сравнению с пиковым уровнем оптической мощности излучаемого лазерного импульса и амплитуды тока накачки без использования внешних электрооптических элементов, а также заужение спектра лазерной генерации, повышение энергетической эффективности, снижение времени включения и выключения излучаемых лазерных импульсов.
Поставленная задача решается тем, что инжекционный лазер включает выращенную на подложке гетероструктуру, волноводный слой, заключенный между широкозонными эмиттерами p- и n-типа проводимости, являющимися одновременно ограничительными слоями, активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, первый оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны первым распределенным Брэгговским зеркалом, формирующим второй отражатель такой, что отделяет моду первого оптического Фабри-Перо резонатора по меньшей мере от части второго оптического Фабри-Перо резонатора, второй оптический Фабри-Перо резонатор, ограниченный с одной стороны первым отражателем, с другой стороны третьим отражателем, первый омический контакт, нанесенный на внешнюю сторону подложки, по меньшей мере один второй омический контакт к первому оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий секцию усиления с расположенной в ней областью инжекции и областью усиления общую по меньшей мере для части первого и части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один третий омический контакт ко второму оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости вне области распространения мод первого оптического Фабри-Перо резонатора, и формирующий секцию управления с расположенной в ней областью поглощения, по меньшей мере один второй омический контакт является электрически изолированным по меньшей мере от одного третьего омического контакта, первый оптический Фабри-Перо резонатор оптически связан со вторым оптическим Фабри-Перо резонатором по меньшей мере через часть общего волноводного слоя. Отражатели формируют такие спектры оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора, что выполняется условие
min1
min2
λ≠λ
min1
где: λ - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для первого оптического Фабри-Перо резонатора, нм;
min2
λ - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для второго оптического Фабри-Перо резонатора, нм.
Первый отражатель может быть сформирован естественно сколотой гранью с нанесенным интерференционным покрытием или распределенным Брэгговским зеркалом
Третий отражатель может быть сформирован естественно сколотой гранью с нанесенным интерференционным покрытием или распределенным Брэгговским зеркалом
Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, обеспечивающего уменьшение поглощения фотонов мод второго оптического Фабри-Перо резонатора, при инжекции носителей заряда в активную область в случае прямо смещенного p-n перехода секции управления.
Секция управления может включать активную область, состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, обеспечивающего увеличение поглощения фотонов мод второго оптического Фабри-Перо резонатора, при экстракции носителей заряда из активной области в случае обратно смещенного p-n перехода секции управления.
По меньшей мере часть области объемного заряда может быть сформирована волноводным слоем секции управления.
Распределенное Бреговское зеркало первого отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.
Распределенное Бреговское зеркало второго отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.
Распределенное Бреговское зеркало третьего отражателя может быть сформировано в объеме гетероструктуры или на поверхности гетероструктуры.
Электрическая изоляция первого омического контакта от второго омического контакта может быть обеспечена поверхностным распределенным Брегговским зеркалом.
Электрическая изоляция первого омического контакта от второго омического контакта может быть обеспечена протравливанием мезаканавок, имплантацией ионов (кислорода, аргона, азота, водорода и др.) или заращиванием высокоомным материалом.
Новым в настоящем инжекционном лазере является второй отражатель, такой, что отделяет моду первого оптического Фабри-Перо резонатора по меньшей мере от части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один второй омический контакт к первому оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости и формирующий секцию усиления с расположенной в ней областью инжекции и областью усиления общую по меньшей мере для части первого оптического Фабри-Перо резонатора и части второго оптического Фабри-Перо резонатора, по меньшей мере один третий омический контакт ко второму оптическому Фабри-Перо резонатору, расположенный со стороны эмиттера p-типа проводимости вне области распространения мод первого оптического Фабри-Перо резонатора, и формирующий секцию управления с расположенной в ней областью поглощения, по меньшей мере один второй омический контакт является электрически изолированным по меньшей мере от одного третьего омического контакта, первый оптический Фабри-Перо резонатор оптически связан со вторым оптическим Фабри-Перо резонатором по меньшей мере через часть общего волноводного слоя. Отражатели формируют такие спектры оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора, что выполняется условие
min1
min2
λ≠λ
min1
где: λ - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для первого оптического Фабри-Перо резонатора, нм;
min2
λ - длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход излучения для второго оптического Фабри-Перо резонатора, нм.
min1
min2
Улучшение таких характеристик как управление выходной оптической мощностью для выбранных линий генерации электрическими сигналами управления существенно меньшей токовой амплитуды и мощности, чем амплитуда тока накачки секции усиления и излучаемая пиковая мощность, многоволновая генерация, заужение спектра лазерной генерации, снижение теплового разогрева кристалла, повышение надежности работы, снижение времени переключения генерации между модами Фабри-Перо резонаторов обеспечивается за счет реализации эффекта модовой конкуренции и малосигнального управления оптическими потерями для одной из мод в результате использования конструкции инжекционного лазера, включающей два оптически связанных Фабри-Перо резонатора для Фабри-Перо мод, электрически изолированные секции усиления и секции управления спектральных зависимостей коэффициентов отражателей таких, что λ≠λ.
Заявляемый инжекционный лазер поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан заявляемый инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением, включающим два Фабри-Перо резонатора, секцию усиления и секцию управления;
1
2
2
3
1
2
2
3
min1
min2
на фиг.2 приведены качественные зависимости материального усиления (G) в секции усиления от длины волны (λ) для случая G=G (кривая 1); коэффициентов отражения второго отражателя (R) (кривая 2) и третьего отражателя (R) (кривая 3) от длины волны (λ) для случая G=G; материального усиления (G) в секции усиления от длины волны (λ) для случая ΔG≠0 (кривая 4); коэффициентов отражения второго отражателя (R) (кривая 5) и третьего отражателя (R) (кривая 6) от длины волны (λ) для случая ΔG≠0; положения линии генерации первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ) и линии генерации второго оптического Фабри-Перо резонатора (λ);
pump
contr
min1
FP1
min2
FP2
на фиг.3 приведены схематические диаграммы для первого способа управления, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I), отн. ед. - кривая 7; тока секции управления (I), отн.ед. - кривая 8; избыточных оптических потерь секции управления (Δα), отн. ед. - кривая 9; мощности, излучаемой модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ (P), отн.ед. - кривая 10; мощности, излучаемой модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ (P), отн.ед. - кривая 11;
pump
contr
min1
FP1
min2
FP2
на фиг.4 приведены схематические диаграммы для второго способа управления, характеризующие зависимость от времени следующих параметров: тока секции усиления (I), отн. ед. - кривая 12; напряжения секции управления (U), отн.ед. - кривая 13; избыточных оптических потерь секции управления (Δα), отн. ед. - кривая 14; мощности, излучаемой модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ (P), отн. ед. - кривая 15; мощности, излучаемой модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны λ (P), отн. ед. - кривая 16.
Настоящий инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением на основе гетероструктуры (см. фиг.1) содержит первый оптический Фабри-Перо резонатор 1, ограниченный с одной стороны первым отражателем 2 (заштриховано непрерывными линиями с левым наклоном), с другой стороны первым распределенным Брэгговским зеркалом 3 (заштриховано непрерывными вертикальными линиями), формирующим второй отражатель 4 (заштриховано непрерывными линиями с правым наклоном), второй оптический Фабри-Перо резонатор 5, ограниченный с одной стороны первым отражателем 1, с другой стороны третьим отражателем 6 (заштриховано непрерывными пересекающимися линиями), секцию усиления 7, общая область усиления 8 (заштрихована пунктирными вертикальными линиями), секцию управления 9, область поглощения 10 (заштрихована пунктирными горизонтальными линиями), первый омический контакт 11 (заштрихован наклонной пунктирной линией), второй омический контакт 12 (заштрихован наклонной пунктирной линией), третий омический контакт 13 (заштрихован наклонной пунктирной линией), элемент 14, обеспечивающий электрическую изоляцию. Гетероструктура настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением включает волноводный слой 15, заключенный между широкозонным эмиттером p-типа проводимости 16 и широкозонным эмиттером n-типа проводимости 17, активную область 18, состоящую по меньшей мере из одного квантово-размерного активного слоя, подложку 19.
1
2
Принцип генерации модулированного многоволнового лазерного излучения, реализованный в предлагаемом техническом решении, основан на управляемом переключении лазерной генерации между двумя устойчивыми Фабри-Перо модами интегрированных оптических Фабри-Перо резонаторов 1 и 5 (фиг.1). Для реализации заявленного принципа была предложена конструкция инжекционного лазера, показанная на фиг.1. Секция усиления 7 предназначена для накачки стационарным или квазистационарным током, определяющим амплитуду выходного оптического сигнала генерируемых модовых структур. Первый отражатель 2, с коэффициентом отражения R, может быть сформирован естественно сколотой гранью с напыленным просветляющим покрытием или распределенным Брегговским зеркалом. Второй отражатель 4 на основе распределенного Брегговского зеркала 3, с коэффициентом отражения R, сформирован периодическим рельефом показателя преломления вдоль оси резонатора, дающим эффект внутренней дифракционной решетки. В этом случае максимальная добротность будет только для лазерного излучения, попадающего в узкий спектр, что дает узкий спектр генерации (фиг.2). Секция управления 9 предназначена для управления оптическими потерями моды, распространяющейся в оптическом Фабри-Перо резонаторе 5, при этом третий отражатель 6 может быть также как второй отражатель 4 сформирован периодическим рельефом показателя преломления вдоль оси резонатора, дающим эффект внутренней дифракционной решетки. При этом естественно сколотая грань, третий отражатель 6, может иметь просветляющее покрытие, подавляющее обратную связь от линий, не попадающих в спектр отражения третьего отражателя на основе распределенного Брегговского зеркала. Т.к. спектры генерации резонаторов первого оптичекого Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 задаются спектрами отражения второго и третьего отражателей, соответственно, то, управляя параметрами периодического рельефа (период, показатель преломления), можно независимо настраивать спектральный состав излучения оптических Фабри-Перо резонаторов.
min1
min2
th1
th2
В рассмотренной конструкции могут существовать две устойчивые модовые конфигурации: для первого оптического Фабри-Перо резонатора и второго оптического Фабри-Перо резонатора с длинами волн λ и λ, соответственно. Для обеспечения устойчивой одномодовой генерации необходимо, чтобы пороговое материальное усиление выбранной модовой структуры достигалось при минимальной концентрации носителей в активной области секции усиления 7. В этом случае, используя малосигнальное управление потерями моды второго оптического Фабри-Перо резонатора, можно переключать генерацию между Фабри-Перо модами. В предложенной конструкции инжекционного лазера могут существовать две устойчивые модовые структуры, соответствующие первому и второму Фабри-Перо резонаторам с пороговыми модальными усилениями g и g, соответственно, описываемые с помощью следующих равенств
th
min1
th
min2
i
FP1
FP2
1
min1
1
min2
2
min1
3
min2
1
2
<mrow><mfrac><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
где G(λ), G(λ) - пороговые материальные усиления для мод первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, соответственно, Δα - избыточные оптические потери в секции управления 9, а отношение
определяет долю моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, приходящуюся на секцию управления 9, α - внутренние оптические потери, Г и Г - факторы оптического ограничения в области усиления для мод первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, R(λ), R(λ), R(λ), R(λ) - коэффициенты отражения первого 2, второго 4 и третьего 6 отражателей на длинах волн генерации, L, L - длина первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, соответственно.
out1
1
2
3
Из соотношений (1) и (2) видно, что пороговое усиление, определяющее длину волны генерации, задается спектральной зависимостью оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (α(λ)) и второго оптического Фабри-Перо резонатора 5, через спектральные зависимости коэффициентов отражения R(λ), R(λ), R(λ)
min1
min2
Для выполнения требования генерации на разных длинах волн необходимо, чтобы длина волны, соответствующая минимуму оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ), отличалась от длины волны, соответствующей минимуму оптических потерь на выход для первого оптического Фабри-Перо резонатора (λ)
Тогда условие устойчивой генерации только одной моды реализуется, когда материальное усиление для нее минимально, и может быть записано для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1
для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5
Из выражений (1) и (2) видно, что управлять условием выполнения неравенств (6) и (7) можно варьируя величиной Δα - избыточные оптические потери в секции управления 9.
i
contr
contr
Можно определить два способа работы настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением. Для первого способа, при непрерывной или модулированной накачке секции усиления 7 и отсутствии управляющего сигнала, выполнены пороговые условия для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (фиг.3 кривая 7, 8, 10, 11). Это значит, что потери в секции управления 9 выше значения внутренних оптических потерь (α) за счет межзонного поглощения не просветленной активной области 18, расположенной в секции управления 9 (фиг.3 кривая 9). Сигнал управления в виде прямого тока (I) компенсирует потери секции управления 9 (фиг.3 кривая 9). В результате генерация переключается с моды первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 на моду второго оптического Фабри-Перо резонатора 5. Выключение сигнала управления восстанавливает остаточное поглощение секции управления 9, в результате происходит самопроизвольное переключение генерации с моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 на моду первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 (фиг.3 кривая 7, 8, 10, 11). Как видно из описанных выше принципов, величина I определяет степень просветления секции управления 9. Использование больших значений тока управления также позволит обеспечить условия, когда в секции управления 9 будет происходить усиление.
contr
min2
pump
contr
contr
Второй способ работы настоящего инжекционного лазера с многоволновым модулированным излучением реализуется в условиях, когда непрерывная или модулированная накачка секции усиления 7 и отсутствие управляющего сигнала создают условия для генерации только моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 (фиг.4 кривая 12, 13, 15, 16). Физические причины, вызывающие генерацию моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 без внешнего управления, связаны с двумя факторами. Первый фактор - это частичное просветление активной области секции 18, расположенной в секции управления 9 излучением секции усиления 7. Второй фактор - это рассогласование спектров поглощения секции управления 9 и усиления секции усиления 7 за счет уменьшения ширины запрещенной зоны активной области секции усиления 7 в результате экранировки межатомного потенциала накопленными носителями заряда (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, А.Л. Станкевич, Н.А. Рудова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 682 (2011); С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Ю. Лешко, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 672 (2011)) и частично температурного разогрева (С.О. Слипченко, А.А. Подоскин, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, А.Ю. Лешко, Н.А. Пихтин, В.В. Забродский, И.С. Тарасов, ФТП, 45, 1431 (2011)). Эти факторы играют определяющую роль при достаточно близком положении линий генерации (фиг.2 кривая 1, 2, 3). Компенсация остаточных потерь также может быть реализована за счет разнесения линий генерации, что формирует требуемую величину ДС (фиг.2 кривая 4, 5, 6). Для второго способа управляющим сигналом будет обратное напряжение (U), позволяющее экстрагировать накопленные в активной области фотогенерированные носители заряда, и за счет квантоворазмерного эффекта Штарка увеличить поглощение на длине волны генерации λ моды второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 (фиг.4 кривая 13, 14, 15, 16). Необходимо отметить, что значение выходной оптической мощности определяется амплитудой тока накачки секции усиления (I), которая не меняется в процессе переключения. Все управление процессом переключения модовых структур происходит посредством приложения малосигнальных импульсов тока (I) или напряжения (U) к секции управления 9.
Пример 1
0.3
0.7
0.3
0.7
0.24
0.7
Известно, что непрерывная выходная оптическая мощность на уровне 10 Вт достигается в инжекционных лазерах на основе асимметричных гетероструктур при ширине области усиления 100 мкм. Для реализации настоящего инжекционного лазера для первого способа получения управляемой последовательности лазерных импульсов за счет переключения режимов генерации между ФПМ и 3М была изготовлена гетероструктура, включающая волноводный слой GaAs толщиной 1,7 мкм, заключенный между широкозонным эмиттером AlGaAs p-типа проводимости толщиной 1,5 мкм и широкозонным эмиттером AlGaAs n-типа проводимости толщиной 1,5 мкм, активную область, состоящую из одного квантово-размерного активного слоя InGa4As толщиной 8 нм, смещенную относительно центра волноводного слоя на 0,2 мкм, и обеспечивающую максимальную электролюминесценцию в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности 5 Вт для моды первого Фабри-Перо резонатора выбрали ширину секции усиления 7, равной 100 мкм. Из условия сохранения высокого значения дифференциальной эффективности длину первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 выбрали 1.5 мм, что также соответствовало длине секции усиления 7. Длину второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 выбрали 2.5 мм. Это обеспечило возможность сформировать секцию управления 9 длиной 0.7 мм. Значение пиковой выходной оптической мощности 5 Вт достигалось при накачке секции усиления 7 током 5.5 А. Ширина секции управления 9 выбиралась равной ширине секции усиления 7, исходя из технологической простоты изготовления.
Первый оптический отражатель был сформирован интерференционным покрытием на естественно сколотой грани с коэффициентом отражения менее 5% в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. Второй оптический отражатель был сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющем пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1070 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Третий отражатель сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющим пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1075 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Второй отражатель выполнял функции элемента электрической изоляции секции усиления от секции управления с сопротивлением более 1 кОм. Амплитуда тока секции управления 9 выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации моды второго оптического Фабри-Перо резонатора и составила 400 мА.
Далее ко второму омическому контакту 12 секции усиления 7 подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 5,5 А и выходную оптическую мощность 5 Вт для моды первого оптического Фабри-Перо резонатора, излучающей на длине волны 1070 нм. Для формирования управляемой последовательности импульсов к третьему омическому контакту 13 секции управления 9 подавался управляющий сигнал в виде тока инжекции амплитудой 400 мА. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда оптическая мощность 4 Вт излучалась модой второго оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны 1075 нм. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.3.
Пример 2
Используя гетероструктуру, описанную в примере 1, изготавливали инжекционные лазеры, управляемые обратным напряжением. С целью получения значения пиковой выходной оптической мощности 5 Вт выбрали ширину секции усиления 7, равной 100 мкм. Из условия сохранения высокого значения дифференциальной эффективности и генерации моды второго оптического Фабри-Перо резонатора без управляющих сигналов длину первого оптического Фабри-Перо резонатора 1 выбрали 2.3 мм, что также соответствовало длине секции усиления 7. Длину второго оптического Фабри-Перо резонатора 5 выбрали 3 мм. Это обеспечило возможность сформировать секцию управления 9 длиной 0.5 мм. Значение пиковой выходной оптической мощности 5 Вт для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора достигалось при накачке секции усиления 7 током 6 А. Ширина секции управления 9 выбиралась равной ширине секции усиления 7, исходя из технологической простоты изготовления.
Первый оптический отражатель был сформирован интерференционным покрытием на естественно сколотой грани с коэффициентом отражения менее 5% в спектральном диапазоне 1060-1080 нм. Второй оптический отражатель был сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющем пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1070 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Третий отражатель сформирован распределенным Брэгговским зеркалом, имеющим пик отражения 99% шириной 1 нм на длину волны 1075 нм и менее 2% для остальных длин волн, попадающих в спектр усиления (В.В. Золотарев, А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, Н.А. Пихтин, А.А. Подоскин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, В.В. Шамахов, И.Н. Арсентьев, Л.С. Вавилова, К.В. Бахвалов, И.С. Тарасов, ФТП, 47, 110 (2013)). Второй отражатель выполнял функции элемента электрической изоляции секции усиления от секции управления с сопротивлением более 1 кОм. Амплитуда напряжения секции управления 9 выбиралась минимальной для обеспечения пороговых условий генерации моды первого оптического Фабри-Перо резонатора и составила 15 В.
Далее ко второму омическому контакту 12 секции усиления 7 подавалось прямое напряжение, обеспечивающее ток 6 А и выходную оптическую мощность 5 Вт для моды второго оптического Фабри-Перо резонатора, излучающей на длине волны 1075 нм. Для формирования управляемой последовательности импульсов к третьему омическому контакту 13 секции управления 9 подавался управляющий сигнал в виде обратного напряжения амплитудой 15 В. Длительность поданного управляющего сигнала определяет время, когда оптическая мощность 5.5 Вт излучалась модой первого оптического Фабри-Перо резонатора на длине волны 1070 нм. Схематическая диаграмма, характеризующая получение управляемой последовательности лазерных импульсов, показана на фиг.4.