ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР (ВАРИАНТЫ)
FULLY OPTICAL MULTILAYER HETEROSTRUCTURE-BASED LASER RADIATION MODULATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к системам для модуляции излучения лазера в заданном спектральном диапазоне с помощью импульсного лазера, длина волны излучения которого лежит в другой спектральной области, и может быть использовано в многолучевых лазерах, применяемых для оптической связи, обработки материалов, дальнометрии, дистанционного зондирования атмосферы (двулучевые лидары), лазерной гравировки, спектроскопических исследованиях в криминалистике, медицине, биологии и т.д.
Одной из задач лазерной техники является проблема выделения коротких лазерных импульсов из непрерывного излучения и синхронизации двух лазерных источников, работающих в различных областях спектра. Для решения данной задачи используются устройства, базирующиеся на различных физических принципах.
Самым простым и очевидным решением является модуляция непрерывного излучения с помощью механических устройств: вращающихся дисков с прорезями или призм, однако такое решение имеет ряд недостатков, среди которых наиболее значительными являются громоздкость конструкции и невозможность получить достаточно короткую длительность импульсов. Подобные устройства практически непригодны для работы с лазерами ультракоротких импульсов.
Более перспективной выглядит идея использования электрооптических устройств, принципы работы которых базируются на управлении оптическими свойствами материалов электрическим полем. Для этого можно использовать электрооптический эффект, который заключается в том, что в кристалле активного вещества под действием электрического поля происходит вращение плоскости поляризации проходящего сквозь этот кристалл света. Такой принцип использован в патенте [1], где предложено использовать электрооптические ячейки для сложной модуляции лазерного излучения в установке для нанесения гравировки.
Другой подход продемонстрирован в патенте [2], где описан модулятор, представляющий собой ячейку электрооптического материала, изготовленного в виде призмы Дове, на нижнее основание которой решеткой наклеены электроды, таким образом, чтобы при подаче напряжения в кристалле формировалась дифракционная решетка. Принцип работы данного устройства базируется на том, что при подаче напряжения излучение, направленное в кристалл, претерпевает сильное рассеяние, на выходе получается значительное ослабление падающего излучения.
Рассмотренные конструкции электрооптических модуляторов являются достаточно эффективными, позволяя получать большую глубину модуляции и при этом практически безынерционны. Однако они недостаточно компактны и требуют источников высокого напряжения.
Использование наноразмерных структур позволяет устранить эти недостатки. Устройство, предложенное в патенте [3], построено на использовании квантового эффекта Штарка, и представляет собой сложную многослойную структуру, содержащую квантоворазмерный слой AlGaAs, в котором под действием приложенного внешнего электрического поля происходит смещение края полосы поглощения.
Электрооптические устройства позволяют эффективно осуществлять модуляцию света, однако, когда требуется синхронизация двух лазеров, работающих в различных частях спектра, наиболее рациональным решением представляются полностью оптические устройства, где один из двух лазеров является в то же время и модулирующим.
В патенте [4] предложена схема модуляции и синхронизации лазерного излучения с использованием фотохромного элемента, т.е. изменяющего пропускание под действием излучения. В качестве рабочего вещества предложено использовать бактериородопсин. Данная схема модуляции достаточно эффективна, однако обладает значительной инерционностью, что не позволяет получать импульсы ультракороткой длительности, а также работать с высокой частотой повторения импульсов.
Для скоростных модуляторов более перспективно использование нелинейных эффектов в полупроводниковых соединениях. В патенте [5] представлено устройство в виде планарного волновода с градиентным распределением примеси по длине. Модулирующее излучение направляется на волновод сверху, перпендикулярно направлению распространения сигнального излучения. Падающее излучение генерирует высокую концентрацию носителей в зоне проводимости, что приводит к изменению показателя преломления полупроводника. Время срабатывания данного устройства составляет ~100 пс.
Устройство, представленное в патенте [6], представляет собой структуру из квантовых слоев, содержащую s-i-n (surface - intrinsic - n+doped) полупроводник, в котором под действием падающего излучения наводится электрическое поле. В данном модуляторе используется уже упомянутый квантовый эффект Штарка, однако смещение края поглощения в квантовом слое происходит под действием лазерного излучения.
Задачей изобретения является создание сверхбыстрого высокоэффективного модулятора лазерного излучения, управляемого посредством ультракоротких импульсов излучения другого лазера.
Для решения поставленной задачи предлагается четыре варианта модулятора.
Первый вариант. Полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, содержащий подложку с выращенной периодической многослойной гетероструктурой, которая изготовлена таким образом, что изменение показателя преломления под воздействием возбуждающего лазерного излучения в активном нелинейном полупроводниковом компоненте гетероструктуры за счет генерации плотной электронно-дырочной плазмы вызывает изменение интенсивности модулируемого падающего излучения.
II
VI
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
III
V
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
Второй вариант. Полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, содержащий подложку с выращенной периодической многослойной гетероструктурой, которая изготовлена таким образом, что изменение показателя преломления под воздействием возбуждающего лазерного излучения в активном нелинейном полупроводниковом компоненте гетероструктуры за счет генерации плотной электронно-дырочной плазмы вызывает изменение интенсивности модулируемого падающего излучения, а в подложке выполнено оптическое окно.
II
VI
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
III
V
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
Третий вариант. Полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, содержащий подложку с выращенной периодической многослойной гетероструктурой, центральный слой активного компонента которой выполнен удвоенной толщины, и она изготовлена таким образом, что изменение показателя преломления под воздействием возбуждающего лазерного излучения в активном нелинейном полупроводниковом компоненте гетероструктуры за счет генерации плотной электронно-дырочной плазмы вызывает изменение интенсивности модулируемого падающего излучения.
II
VI
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
III
V
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
Четвертый вариант. Полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, содержащий подложку с выращенной периодической многослойной гетероструктурой, центральный слой активного компонента которой выполнен удвоенной толщины, и она изготовлена таким образом, что изменение показателя преломления под воздействием возбуждающего лазерного излучения в активном нелинейном полупроводниковом компоненте гетероструктуры за счет генерации плотной электронно-дырочной плазмы вызывает изменение интенсивности модулируемого падающего излучения, а в подложке выполнено оптическое окно.
II
VI
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
III
V
Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений AB.
II
VI
III
V
Активный нелинейный компонент, в котором наводится изменение показателя преломления, выбирают таким образом, чтобы длина волны излучения модулирующего лазера попадала в область поглощения полупроводникового лазера. В зависимости от требуемой спектральной области это могут быть материалы из группы полупроводниковых соединений AB, AB, например ZnSe, GaAs.
Второй компонент многослойной гетероструктуры выбирается, исходя из условия технологической совместимости с активным нелинейным компонентом, а также прозрачности для излучения обоих лазерных источников.
Возбуждение активного элемента гетероструктуры лазерным излучением вызывает изменение его показателя преломления, что приводит к изменению отражения или пропускания устройства на длине волны излучения модулируемого лазера.
Изготовление оптического окна в подложке методом селективного химического травления или механическим способом позволяет использовать его для модуляции проходящего сквозь гетероструктуру лазерного излучения.
Фиг.1-4 демонстрируют реализацию модулятора, изменяющего величину отражения на модулируемой длине волны, при возбуждении нелинейного компонента гетероструктуры, где
1 - модулируемое падающее излучение;
2 - возбуждающее лазерное излучение;
3 - многослойная гетероструктура;
4 - подложка;
5 - оптическое окно;
6 - слой активного компонента гетероструктуры удвоенной толщины.
Фиг.5 демонстрирует спектр отражения многослойной гетероструктуры (а) и дифференциальный спектр отражения после лазерного возбуждения (б), как пример реализации модулятора на базе многослойных гетероструктур ZnSe/ZnS.
Фиг.6 демонстрирует динамику релаксации наведенных изменений отражения для различных участков спектра, после возбуждения структуры лазерным излучением.
x
y
Фиг.7 демонстрирует динамику релаксации наведенных изменений отражения для инфракрасной области спектра, после возбуждения многослойной гетероструктуры GaAs/AlO лазерным излучением.
Механизм работы модулятора основан на управлении светом за счет изменения отражательных характеристик брэгговского отражателя путем генерации в одной из его подрешеток плотной электронно-дырочной (e-h) плазмы. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением приводит к генерации в активном слое высокой концентрации носителей, а поскольку e-h плазма обладает диэлектрической проницаемостью, то она дает вклад в показатель преломления среды, в которой она генерируется, тем самым смещая спектр отражения/пропускания брэгговского отражателя.
Изменение диэлектрической проницаемости активной нелинейной среды при возбуждении лазерным излучением описывается формулой:
0
где ε - диэлектрическая проницаемость электронно-дырочной плазмы, ε - начальная диэлектрическая проницаемость кристалла, N - концентрация носителей в кристалле, µ - эффективная масса, n и k - показатель преломления и коэффициент поглощения электронно-дырочной плазмы, ω - частота лазерного излучения.
Данная формула показывает, что изменение показателя преломления будет тем большим, чем выше будет концентрация носителей N в зоне проводимости активного нелинейного компонента многослойной гетероструктуры. Это означает, что для значительного изменения показателя преломления необходимо создавать значительную концентрацию носителей в зоне проводимости полупроводника. Использование многослойной гетероструктуры позволяет получить значительные изменения в спектре отражения или пропускания при меньшем значении изменения показателя преломления, тем самым уменьшив величину интенсивности излучения модулирующего лазера.
Многослойная гетероструктура является брэгговским отражателем, в котором малое изменение показателя преломления в одной из подрешеток приводит к существенному смещению спектра отражения и пропускания. Для уменьшения мощности накачки и увеличения эффективности модулятора материалы, из которых он сделан, должны обладать следующими свойствами: большая разница показателей преломления, совместимыми кристаллическими решетками и различными энергиями запрещенной зоны. Для сильного изменения отражения/пропускания на заданной длине волны минимум/максимум отражения/пропускания должен иметь большую крутизну, что достигается или большим числом слоев в структуре, или большой разностью показателей преломления подрешеток структуры. Различие энергий запрещенной зоны у подрешеток необходимо для возможности возбуждения только одной из них, т.к. одновременное возбуждение обеих не может привести к большому сдвигу спектров отражения/пропускания. Для создания высокоэффективных устройств необходимо избегать дефектов на границах слоев, поэтому подрешетки должны обладать совместимыми кристаллическими решетками с малым отличием решеточных констант. В случае использования в качестве брэгговского отражателя многослойных гетероструктур, возбуждаемая подрешетка должна обладать сверхбыстрым нелинейным откликом e-h плазмы. Чем быстрее нелинейность, тем более быстрые устройства модуляции света можно создать.
Пример 1. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.1, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 ZnSe/ZnS, полученную методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений (P.I.Kuznetsov, V.A.Jytov, L.Yu.Zakharov, B.S.Shchamkhalova, Yu.V.Korostelin, V.I.Kozlovsky: Phys. Stat. Sol (b) 229 (2002) 171), состоящую из чередующихся слоев полупроводника. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2, приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры, что, в свою очередь, приводит к смещению спектра отражения, как показано на фиг.5. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.6). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1.
Технические характеристики устройства: размеры 10×10 мм, рабочая область спектра 460-900 нм.
x
y
Пример 2. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.1, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 GaAs/(AlGa)O, методом селективного химического травления полученную из базовой структуры GaAs/AlGaAs (Малеев Н.А., Кузменков А.Г., Жуков А.Е., Шуленков А.С. и. др. Конструкция и технология изготовления матриц вертикально-излучающих лазеров // ФТП, Т.39 (вып.4), 2005), состоящую из чередующихся слоев полупроводника. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.7). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1.
Технические характеристики устройства: размеры 10×10 мм, рабочая область спектра 950-2000 нм.
Пример 3. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.2, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 ZnSe/ZnS, полученную методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений, состоящую из чередующихся слоев полупроводника. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры, что, в свою очередь, приводит к смещению спектра отражения, как показано на фиг.5. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.6). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1. В подложке 4 выполнено оптическое окно 5, что позволяет использовать его для модуляции проходящего сквозь гетероструктуру лазерного излучения.
x
y
Пример 4. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.2, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 GaAs/(AlGa)O, методом селективного химического травления полученную из базовой структуры GaAs/AlGaAs, состоящую из чередующихся слоев полупроводника. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.7). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1. В подложке 4 выполнено оптическое окно 5, что позволяет использовать его для модуляции проходящего сквозь гетероструктуру лазерного излучения.
Пример 5. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.3, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 ZnSe/ZnS, полученную методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений, состоящую из чередующихся слоев полупроводника, в которой в процессе роста формируется центральный слой активного компонента гетероструктуры удвоенной толщины 6. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры, что, в свою очередь, приводит к смещению спектра отражения, как показано на фиг.5. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.6). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1.
x
y
Пример 6. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.3, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 GaAs/(AlGa)O, методом селективного химического травления полученную из базовой структуры GaAs/AlGaAs, состоящую из чередующихся слоев полупроводника, в которой в процессе роста формируется центральный слой активного компонента гетероструктуры удвоенной толщины 6. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.7). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1.
Пример 7. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.3, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 ZnSe/ZnS, полученную методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений, состоящую из чередующихся слоев полупроводника, в которой в процессе роста формируется центральный слой активного компонента гетероструктуры удвоенной толщины 6. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры, что, в свою очередь, приводит к смещению спектра отражения, как показано на фиг.5. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.6). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1. В подложке 4 выполнено оптическое окно 5, что позволяет использовать его для модуляции проходящего сквозь гетероструктуру лазерного излучения.
x
y
Пример 8. Заявляемый полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур, показанный условно на фиг.3, представляет собой выращенную на подложке 4 полупроводникового материала, в частности GaAs, многослойную гетероструктуру 3 GaAs/(AlGa)O, методом селективного химического травления полученную из базовой структуры GaAs/AlGaAs, состоящую из чередующихся слоев полупроводника, в которой в процессе роста формируется центральный слой активного компонента гетероструктуры удвоенной толщины 6. Полупроводниковые материалы, составляющие гетероструктуру, имеют близкие значения постоянной кристаллической решетки, высокий контраст показателей преломления. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением 2 приводит к изменению показателя преломления в активном слое гетероструктуры. После окончания воздействия лазерного излучения 2 происходит релаксация наведенных изменений за время в несколько пикосекунд (фиг.7). Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения 1. В подложке 4 выполнено оптическое окно 5, что позволяет использовать его для модуляции проходящего сквозь гетероструктуру лазерного излучения.
x
y
Предлагаемая концепция модулятора, на фоне имеющегося разнообразия устройств, отличается рядом существенных отличий. Устройство представляет собой многослойную структуру, в которой при воздействии лазерного излучения показатель преломления изменяется в нескольких слоях активного нелинейного материала, что позволяет получить существенное изменение отражения или пропускания при сравнительно небольшом изменении показателя преломления. Нелинейный эффект, возникающий в активном слое гетероструктуры, является быстропротекающим (время релаксации ~3 пс), что позволяет работать с короткими импульсами излучения и на высокой частоте повторения. Модулятор на основе гетероструктуры GaAs/AlO работает в области 1,5 мкм, которая интересна с практической точки зрения, поскольку лазерное излучение на данной длине волны безопасно для глаз и попадает в полосу прозрачности коммерческих волноводов. В то же время использование других полупроводниковых компонентов или изменение их толщины позволяет конструировать такие модуляторы для других областей спектра.
Данная разработка может найти применение в областях, где требуется получение коротких лазерных импульсов из непрерывного лазерного излучения, а также при необходимости синхронной подачи импульсов двух различных лазерных источников. Подобные задачи могут возникнуть при конструировании установок для дистанционного зондирования атмосферы (двулучевые лидары), лазерной гравировки, спектроскопических исследований в криминалистике, медицине, биологии.
Источники информации
1. US 4335939, 1982.
2. US 3958862, 1976.
3. US 5105301, 1992.
4. US 5757525, 1998.
5. US 4867515, 1989.
6. US 5323019, 1994.