ОДНОЧАСТОТНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

ОДНОЧАСТОТНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР
Область техники
Полезная модель относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к ключевому компоненту оптоэлектронной техники - компактному, высокоэффективному полупроводниковому перестраиваемому одночастотному источнику лазерного когерентного излучения различного диапазона длин волн с волоконной брэгговской решеткой в волоконном выводе излучения.
Предшествующий уровень техники
Одним из перспективных направлений современной техники являются работы по созданию полупроводниковых лазеров, работающих в одночастотном режиме генерации одной продольной моды с узким спектром излучения и возможностью перестройки длины волны. Таким свойством обладают полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, с распределенным брэгговским зеркалом [Kobayashi K., Mito I.J. of Lightwave Technol., v.6, 1623 (1988); Jayaraman V., Chuang Z.M., Coldren L.A. IEEE J. Quntum Electron., v.29, 1824 (1993); Suematsu Y., Arai S. IEEE J. Selected Topics in Quntum Electron., v.6, 1436 (2000)], обеспечивающие получение высоких и стабильных характеристик излучения, но, к сожалению, технология создания брэгговских решеток внутри объема резонатора полупроводникового лазера достаточно сложна и дорога.
В качестве более дешевого и с лучшими характеристиками альтернативного источника является полупроводниковый лазер с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР) [M. Premaratne, A.J. Lowery IEEE J. Quntum Electron., v.QE-34, no.4, 1998, p.716; Abdulrhmann S.G., Ahmed M., Okamoto T., Ishimori W., Yamada M. IEEE J. Selected Topics in Quntum Electron., 9, 1265 (2003)]. Брэгговская решетка, вписанная непосредственно в волоконный вывод лазера, обеспечивает простой и эффективный метод контроля длины волны и других характеристик излучения. Для стабилизации длины волны и ее перестройки использование такой решетки гораздо дешевле и надежнее, что делает ее привлекательной для большого количества применений.
Известны полупроводниковые лазеры с внешней брэгговской решеткой, сформированной в волоконном световоде, помещенном перед выводной гранью активного элемента [В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло и др. Квантовая электроника, том 25, №4, 1998, стр.30; Свидетельство на полезную модель №8175 RU, МКИ H01S 3/18, опубликованное 16.10.1998].
Известный одночастотный лазерный инжекционный излучатель с высоким спектральным уплотнением выходного излучения (см. [Свидетельство на полезную модель №8175 RU, МКИ H01S 3/18, опубликованное 16.10.1998]) содержит контактную пластину с торцевым излучающим кристаллом с p-n переходом и волоконный световод с металлизированной входной частью для вывода излучения через него. Выводная торцевая грань излучающего кристалла, ближайшая к волоконному световоду, имеет просветляющее покрытие с коэффициентом отражения не более 0,5%. На противоположную ей грань нанесено отражающее покрытие с отражением не менее 99,8%. На конце входной части волоконного световода выполнена микролинза. В ее фокусе расположен торец волновода на выводной торцевой грани излучающего кристалла. Во входной части волоконного световода на заданном расстоянии от входного конца волоконного световода в его сердцевине сформирована фотоиндуцированная волоконная брэгговская решетка. Входная часть волоконного световода закреплена в двух местах на микропечи - устройстве для разогрева припоя, помещенной на печкодержателе - плате. Контактная пластина и печкодержатель неразъемно скреплены друг с другом и с холодной поверхностью термоэлектрохолодильника. Его противоположная поверхность помещена на внутренней поверхности корпуса.
Конструкция практически работает как единое целое, что обеспечивает ей надежность, долговечность. Достигнуты одночастотное выходное излучение с высоким спектральным уплотнением, а также высокая степень стабилизации длины волны излучения в диапазоне токов накачки и температур.
В тоже время обнаружено, что при длительной эксплуатации происходит разогрев прибора, что приводит к отслоению металлизации волоконного световода от его поверхности из-за разницы коэффициентов температурного расширения (КТР) металла и волоконного световода. Появляются дополнительные степени свободы перемещения волоконного световода в пространстве, что приводит к разъюстировке и выходу прибора из строя. Кроме того, в процессе сборки при припаивании волоконного световода происходит испарение флюса и элементов припоя, которые осаждаются на рабочей зеркальной грани оптоэлектронного элемента и на поверхности линзы, что снижает выходную мощность. Наличие металлизации вблизи конца волоконного световода определяет необходимость его размещения от рабочей зеркальной грани ЛД на расстоянии более 10-15 мкм, так как возможно закорачивание с оптоэлектронным элементом (ЛД). В этом случае используется сферическая линза на конце волоконного световода с фокусным расстоянием 17 мкм и более, причем коэффициент ввода сферической линзы составляет 50-60%, что также приводит к значительной потери мощности.
Кроме того, в приведенных работах ничего не упоминается о перестройке длины волны за счет изменения тока инжекции и/или температуры активной области излучающего лазерного кристалла.
Известны перестраиваемые одночастотные лазеры с волоконными брэгговскими решетками [В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков, К.И. Климов, Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530-1560 нм, Квантовая электроника, т.31, №6, 2001, с.529-530; В.П. Дураев, Перестраиваемые одночастотные лазеры с брэгговскими решетками, Фотоника, 2007, №3, с.24-29; В.П. Дураев, С.В. Медведев, Перестраиваемые полупроводниковые лазеры для передачи информации, Обозрение прикладной и промышленной математики том 19, в.4, 2012; В.П. Дураев, С.В. Медведев Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры, тезисы доклада на 3-ем симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2012 года], реализующие стабильный одночастотны режим генерации при плавной перестройке длины волны за счет изменения тока инжекции и/или температуры активной области излучающего кристалла.
В работе [В.П. Дураев, С.В. Медведев Перестраиваемые полупроводниковые лазеры для передачи информации, Обозрение прикладной и промышленной математики том 19, в.4, 2012] использовались одномодовые лазерные излучающие кристаллы на основе гетероструктур InGaAs/GaAs и InGaAsP/InP с квантово-размерными слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии. Длина лазерного кристалла варьировалась в диапазоне 600-1000 мкм, ширина мезаполоски 3 мкм.
Требуемый одночастотный режим и плавная перестройка длины волны обеспечивались с помощью фотоиндуцированной волоконной брэгговской решетки. Длина ее составляла 4-7 мм.
Плавную перестройку длины волны осуществляли в пределах спектра отражения решетки за счет изменения тока инжекции или температуры активной области излучающего лазерного кристалла. Величина перестройки зависела от контура отражения решетки (0,15-0,3 нм) и составляла соответственно в пределах 0,3 нм.
Перестройка длины волны также возможна за счет изменения показателя преломления волокна в области решетки. Волокно с решеткой помещается на термоэлектрохолодильник (элемент Пельтье), способный изменять температуру в широком диапазоне с точностью до 0,1°C. В тоже время выполнение перестройки длины волны за счет изменения режимов работы излучающего кристалла и волоконной брэгговской решетки значительно осложняет прибор.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предложенной полезной модели одночастотного перестраиваемого полупроводникового лазера (далее «ОППЛ») является расширение номенклатуры ОППЛ с различным диапазоном плавной перестройки длины волны при повышении надежности за счет снижения вероятности разъюстировки, улучшения качества излучающей поверхности и поверхности ввода в волоконный световод, а также снижение себестоимости.
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен одночастотный перестраиваемый полупроводниковый лазер, содержащий контактную пластину с торцевым одномодовым излучающим кристаллом с p-n переходом и для вывода излучения волоконный световод с входной частью и с волоконной брэгговской решеткой за пределами входной части. Контактная пластина и входная часть волоконного световода снабжены термоэлектрохолодильником. Выводная торцевая грань излучающего кристалла, ближайшая к волоконному световоду, имеет просветляющее покрытие (просветленная грань). На противоположной грани находится отражающее покрытие.
На входном конце входной части волоконного световода имеется микролинза. В ее фокусе расположен торец волновода на выводной торцевой грани излучающего кристалла. Волоконная брэгговская решетка находится в сердцевине волоконного световода, причем длина гибридного резонатора (внешнего резонатора), условно исчисляемая от грани с отражающим покрытием излучающего кристалла до середины волоконной брэгговской решетки, не менее 10 мм и не более 1000 мм.
К входной части поверхности волоконного световода имеются крепежное средство из стеклянной пасты и устройство для ее разогрева, находящееся на плате. Контактная пластина представляет единое целое с платой и рабочей поверхностью термоэлектрохолодильника. Длина поверхности контактной пластины и платы в направлении распространения излучения не менее 2,5 мм и не более 10 мм. Имеются металлические контакты.
Отличительной особенностью предложения является возможность различного расположения волоконной брэгговской решетки (далее «ВБР») от прибора к прибору и получение перестройки на требуемой длине волны от 0,1 нм до 1 нм для каждого отдельного ПОПЛ в зависимости от заданной длины гибридного резонатора. При этом отсутствует какое-либо принудительное температурное воздействие на волоконную брэгговскую решетку в изделии, так как в предложенном ПОПЛ, содержащем контактную пластину с торцевым одномодовым излучающим кристаллом с p-n переходом с выводной торцевой гранью с просветляющим покрытием и противоположной гранью с отражающим покрытием и для вывода излучения волоконный световод с волоконной брэгговской решеткой за пределами его входной части, закрепленной с помощью стеклянной пасты на плате, снабженной устройством для разогрева стеклянной пасты, причем контактная пластина и плата снабжены термоэлектрохолодильником, длина поверхности контактной пластины и платы в направлении распространения излучения не менее 2,5 мм и не более 10 мм, а длина гибридного резонатора, условно исчисляемая от грани с отражающим покрытием излучающего кристалла до середины волоконной брэгговской решетки, не менее 10 мм и не более 1000 мм (имеются металлические контакты). Ввиду отсутствия металлизации волоконного световода в процессе работы ПОПЛ практически исключена вероятность разъюстировки его оптических элементов. При разогреве стеклянной пасты не используются флюсы, что позволило улучшить качество излучающей поверхности и поверхности микролинзы волоконного световода,. Это обусловило повышение его надежности ПОПЛ. Конструкция излучателя с перестройкой длины волны упрощена, что снизило его себестоимость.
Технический результат достигается также тем, что длина излучающего кристалла между упомянутыми гранями не менее 0,3 мм и не более 2,5 мм.
Технический результат достигается также тем, что коэффициент отражения выводной торцевой грани излучающего кристалла не более 1%.
Технический результат достигается также тем, что коэффициент отражения торцевой грани излучающего кристалла противоположной выводной равен не менее 10% и менее 100%.
Технический результат достигается также тем, что избирательная ширина брэгговской решетки составляет 0,1-1 нм.
Технический результат достигается также тем, что коэффициент отражения брэгговской решетки равен не менее 3% и не более 50%.
Технический результат достигается также тем, что контактная пластина выполнена из меди.
Технический результат достигается также тем, что контактная пластина выполнена из поликора.
Технический результат достигается также тем, что плата выполнена из меди.
Технический результат достигается также тем, что плата выполнена из ситалла.
Технический результат достигается также тем, что устройство для разогрева крепежного средства выполнено из ситалла.
Технический результат достигается также тем, что имеется два стеклянных припоя к входной части волоконного световода, свободном от волоконной брэгговской решетки, причем один из них, ближайший к просветленной грани, помещен на расстоянии не менее 0,1 мм от нее.
Технический результат достигается также тем, что на поверхности контактной пластины имеются металлические контакты, по крайней мере для подведения тока к лазерному кристаллу.
Технический результат достигается также тем, что имеются металлические контакты для подведения тока к устройству разогрева крепежного средства.
Анализ патентных материалов, и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных признаков полезной модели нова. Нами не была обнаружена изложенная совокупность признаков предлагаемой здесь полезной модели.
Технологическая реализация предложенного в настоящей полезной модели основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1 и 2.
На Фиг.1 схематически изображено продольное сечение предложенного одночастотного перестраиваемого полупроводникового лазера (далее «ОППЛ») с контактной пластиной и платой из меди.
На Фиг.2 схематически изображено продольное сечение предложенного одночастотного перестраиваемого полупроводникового лазера (далее «ОППЛ») с контактной пластиной из поликора и платой из ситалла.
Осуществление полезной модели
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций ОППЛ не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
Предложен одночастотный перестраиваемый полупроводниковый лазер 1 (далее «ОППЛ 1») с торцевым одномодовым излучающим кристаллом 2 с p-n переходом 3 и волоконным световодом 4 с одиночной волоконной брэгговской решеткой 5 (см. Фиг.1). Был использован излучающий кристалл 2 на основе гетероструктуры InGaAsP/GaAs с квантово-размерными слоями, изготовленной методом МОС-гидридной эпитаксии. Длина излучающего кристалла 2 была выбрана равной 500,0±0,1 мкм. Мезаполоска выполнена шириной 3,0±0,5 мкм (на фигурах не показана). Перпендикулярно p-n переходу 3 находятся выводная торцевая грань с просветляющим покрытием (далее «просветленная грань») с коэффициентом отражения, равным 0,50±0,05% и противоположная ей торцевая грань, имеющая отражающее покрытие с коэффициентом отражения, равном 99,8±0,05% (далее «отражающая грань»).
Излучающий кристалл 2 находится на контактной пластине 6 из меди. Его просветленная грань находится на краю контактной пластины 6 и обращена к входной части волоконного световода 4, находящейся на плате 7 из меди. Контактная пластина 6 и плата 7 соединены друг с другом. Длина поверхностей контактной пластины 6 и платы 7 вдоль продольной оси корпуса 8 (в направлении распространения излучения) равна 5,00±0,05 мм.
На входном конце входной части волоконного световода 4 имеется цилиндрическая микролинза 8. В ее фокусе расположен торец волновода на выводной торцевой грани с просветляющим покрытием излучающего кристалла 2 (на расстоянии 5,0±0,1 мкм от просветленной грани). Вне входной части волоконного световода 4 выполнена волоконная брэгговская решетка 5 с избирательной шириной 0,5 нм и коэффициентом отражения 10,0±0,05% длиной 5,5±0,1 мм. Она сформирована автономно в сердцевине волоконного световода 4 излучением второй гармоники аргонового лазера (244 нм) в схеме с интерферометром Ллойда [Медведков О.И., Королев И.Г., Васильев С.А. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств. Препринт. М: НЦВО ИОФ РАН, 2004, №6]. Длина гибридного (внешнего) резонатора, условно исчисляемая от отражающей грани излучающего кристалла 2 до середины волоконной брэгговской решетки 5, выбрана равной 500,0±0,5 мм.
Излучающий кристалл 2 с контактной пластиной 6 и волоконный световод 4 с платой 7 помещены в корпус 9 с крепежным уголком-основанием 10, большее ребро которого расположено и закреплено на основании 11 корпуса 9 вдоль продольной его оси. Меньшее ребро закреплено на стенке 12 корпуса 9. На противоположной ей стенке 13 выполнено отверстие, в которое помещена втулка 14 с волоконным световодом 4.
На большем ребре уголка-основания 10 закреплена поликоровая поверхность элемента Пельтье - термоэлектрохолодильника 15. На его противоположной рабочей поликоровой поверхности по продольной оси корпуса 9 закреплены (слева направо): контактная пластина 6 и плата 7.
На внешней поверхности контактной пластины 6 по продольной оси корпуса 9 со стороны отражающей грани излучающего кристалла 2 закреплен фотодиод обратной связи 16.
На плате 7 помещено устройство для разогрева 17 (из ситалла) крепежного средства - стеклянной пасты 18 для закрепления в двух местах входной части волоконного световода 4. Ближайшее к просветленной грани крепление помещено на расстоянии 75,0±0,1 мкм от просветленной грани. Припаивание волоконного световода 4 осуществляли без применения флюса.
К устройству для разогрева 17 имеются металлические контакты для подведения тока, требуемого для разогрева стеклянной пасты 18 (на фигурах не показаны). На контактной пластине 6 рядом с излучающим кристаллом 2 имеются металлические контакты для подведения тока накачки (на фигурах не показаны). На поверхности контактной пластины 6 имеются металлические контакты для подведения тока к ФД 16 (на фигурах не показаны).
При сборке ОППЛ 1 при нагреве стеклянной пасты 18 не наблюдалось загрязнения ни просветленной грани излучающего кристалла 2, ни поверхности микролинзы 8. Именно это позволило использовать цилиндрическую линзу 8 и приблизить волоконный световод 4 к просветленной грани, т.е. увеличить степень ввода излучения. При эксплуатации ОППЛ 1 не наблюдалась разъюстировки вследствие сдвигов волоконного световода 4.
Работа ОППЛ 1 и результаты перестройки длины волны.
При подаче тока на излучающий кристалл ОППЛ 1 с длиной волны излучения 1550 нм получен стабильный одночастотный режим генерации. Генерация начиналась на длине волны отражения волоконной брэгговской решетки с шириной спектра менее 1 МГц.
При изменении температуры излучающего кристалла 2 от 31°C до 36°C с помощью термоэлектрохолодильника 15 длина волны была перестроена на 0,45 нм.
При изменении тока накачки излучающего кристалла 2 от 72 мА до 87 мА изменение длины волны составило 0,065 нм.
В следующим исполнении предложенный ОППЛ 1 отличается от предшествующего длиной гибридного (внешнего) резонатора, выбранной равной 200,0±0,5 мм.
Работа ОППЛ и результаты перестройки длины волны.
При подаче тока на излучающий кристалл ОППЛ 1 с длиной волны излучения 1550 нм получен стабильный одночастотный режим генерации. Генерация начиналась на длине волны отражения волоконной брэгговской решетки с шириной спектра менее 1 МГц.
При изменении температуры излучающего кристалла 2 от 17 до 35 град C с помощью термоэлектрохолодильника 15 длина волны была перестроена на 0,3 нм.
При изменении тока накачки излучающего кристалла 2 от 70 мА до 87 мА изменение длины волны составило 0,02 нм.
В следующим исполнении предложенный ОППЛ 1 отличается от предшествующих тем, что длина гибридного (внешнего) резонатора выбрана равной 500,0±0,5 мм. Контактная пластина 6 выполнена из поликора, плата 7 выполнена из ситалла. Дополнительно имеется промежуточная контактная пластина 19 из поликора, закрепленная на поликоровой поверхности термоэлектрохолодильника 15 и выполняющая как функцию прокладки между помещенными на нее элементами и рабочей поверхностью термоэлектрохолодильника 15, так и дополнительные крепежные функции. На внешней поверхности промежуточной контактной пластины 19 по продольной оси корпуса 9 закреплены контактная пластина 6 и плата 7.
При эксплуатации ОППЛ 1 не наблюдалась разъюстировка вследствие сдвигов волоконного световода 4.
Использование контактных пластин 6 и 19 из поликора, платы 7 из ситалла, стеклянной пасты 18 как средства крепления волоконного световода, имеющих коэффициенты термического расширения, отличающиеся менее чем на треть порядка от коэффициента термического расширения волоконного световода 4, известно из заявки 2010145020 RU на Оптический модуль [Заявка 2010145020 RU, МПК G02B 6/42, опубликованная 10.05.2012]. Вероятность разъюстировки вследствие сдвигов волоконного световода 4 при работе ОППЛ 1 практически исключена. При нагреве стеклянной пасты 18 не наблюдается загрязнения ни рабочей поверхности излучающего кристалла 2, ни поверхности микролинзы 8, что приводит к увеличению выходной мощности. Это позволяет подвести конец волоконного световода 4 ближе к просветленной грани и использовать цилиндрическую линзу 8. Наблюдалось повышение выходного излучения и увеличение долговечности и надежности. Кроме того, позволило проводить в корпусе подъюстировку замененных элементов относительно волоконного световода, что практически невозможно сделать в известных конструкциях.
Работа ОППЛ 1 и результаты перестройки длины волны.
При подаче тока на излучающий кристалл ОППЛ 1 с длиной волны излучения 1550 нм получен стабильный одночастотный режим генерации. Генерация начиналась на длине волны отражения волоконной брэгговской решетки с шириной спектра менее 1 МГц.
При изменении температуры излучающего кристалла 2 от 31°C до 36°C с помощью термоэлектрохолодильника 15 длина волны была перестроена на 0,5 нм.
При изменении тока накачки излучающего кристалла 2 от 72 мА до 87 мА изменение длины волны составило 0,07 нм.
В следующим исполнении предложенный ОППЛ 1 отличается от предшествующего длиной гибридного (внешнего) резонатора, выбранной равной 200,0±0,5 мм.
Работа ОППЛ 1 и результаты перестройки длины волны.
При подаче тока на излучающий кристалл ОППЛ 1 с длиной волны излучения 1550 нм получен стабильный одночастотный режим генерации. Генерация начиналась на длине волны отражения волоконной брэгговской решетки с шириной спектра менее 1 МГц.
При изменении температуры излучающего кристалла 2 от 17 до 35 град C с помощью термоэлектрохолодильника 15 длина волны была перестроена на 0,35 нм.
При изменении тока накачки излучающего кристалла 2 от 70 мА до 87 мА изменение длины волны составило 0,017 нм.
Таким образом, показано, что при использовании усилительных свойств полупроводниковых лазеров с внешним резонатором возможно получение стабильного одночастотного режима генерации с плавной перестройкой длины волны (частоты) током накачки и/или температурой активной области излучающего кристалла.
Именно заявляемая совокупность признаков полезной модели позволила расширить номенклатуру выпускаемых ОППЛ с различным диапазоном плавной перестройки при высокой мощности выходного излучения. Кроме того, предложенный ОППЛ удобен в эксплуатации, более долговечен, надежен и имеет меньшую себестоимость.
Промышленная применимость
Одночастотные перестраиваемые полупроводниковые лазеры нашли самое широкое применение в волоконно-оптических системах передачи информации, используются в волоконно-оптических линиях связи со спектральным уплотнением каналов, оптических датчиках, контрольно-измерительной аппаратуре спектроскопии высокого разрешения, лазерной спектроскопии и фотохимии, дистанционном обнаружении веществ, включая лазерное зондирование атмосферы для определения ее состава, в лазерной фотобиологии и в медицине, медицинской технике, где перестраиваемые лазеры используются для изучения биообъектов и биопроцессов, фотодинамической терапии и диагностики раковых заболеваний и других областях науки и техники.