Исследование мощных полупроводниковых лазеров и разработка методов уменьшения расходимости их излучения

• Автор: Стратонников, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил

Оглавление
Введение

Глава I. Расчет плоского волновода

1.1. Задача плоского волновода

1.2. Метод нахождения мод волновода

1.3. Заключение

Глава II. Исследование диаграммы направленности полупроводниковых лазеров, работающих на вытекающей моде
2.1. Формирование пикав диаграмме направленности полупроводникового лазера, работающего на вытекающей моде
2.2. Исследование особенности диаграммы направленности полупроводникового лазера, работающего на вытекающей моде
2.3. Анализ физических причин, обусловливающих движение пиков в диаграмме направленности полупроводникового лазера, работающего на

вытекающей моде

Глава III. Экспериментальное исследование полупроводниковых лазеров на основе ЬОаАз/ОаАв гетероструктуры с широкой активной областью
3.1. Конструкция мощного ГпОаАзЛЗаАэ лазера с широкой активной областью
3.2. Методика экспериментального исследования расходимости 1пОаАь/АЮаАз/ОаАз гетеролазеров
3.3. Результаты, полученные при исследовании расходимости излучения
и их анализ
Глава IV. Моделирование работы а-ВГВ лазера с широкой активной
областью
4.1. Конструкция а-ЭП} лазера
4.2. Распространение связанных волн в нелинейной среде а4ЖВ лазера
со встроенной решеткой
4.3. Моделирование работы стационарного режима работы а-БГВ
лазера
4.4. Основные результаты моделирования излучательных характеристик
а-Е)ГВ лазера
Заключение
Литература

Введение
Инжекционные полупроводниковые лазеры — это широкий, быстро развивающийся класс приборов. Они стали важными компонентами во многих современных приложениях, таких как волоконно-оптическая связь, устройства хранения информации, различные системы мониторинга и диагностики. Например, лазеры на основе 1пхСа1_хАз гетероструктуры оказались незаменимыми при накачке эрбиевых волоконных усилителей излучением с длиной волны 0.98 мкм. Уникальные свойства полупроводниковой среды сделали возможным варьирование многих важных параметров лазера, например, рабочей длины волны, и обусловили высокую мощность (в настоящее время свыше 2 Вт в непрерывном режиме), малые габариты (~ 1 мм), рекордный КПД (свыше 50%). Одной из характеристик лазера, играющей решающую роль в системах связи и хранения информации, является расходимость излучения. Расходимость излучения определяет яркость лазера и ограничивает мощность, которую можно ввести в одномодовое волокно, ухудшает направленность излучателей в системах открытой оптической связи, уменьшает яркость светового пятна, которое можно создать при записи информации на оптический накопитель. Кроме того, высокая расходимость излучения усложняет оптические элементы, сопрягающиеся с лазером, требуя применение высокоапертурной оптики.
Современный полупроводниковый лазер представляет собой многослойный монокристалл, плоские слои которого формируют р-п переход, активные области, и плоский оптический волновод [1]. Плоскость этих слоев принято называть горизонтальной плоскостью, а перпендикулярное им направление — вертикальным. Наибольшая расходимость излучения полупроводникового лазера наблюдается в вертикальном направлении. Она с большой точностью определяется из профиля ПОЛЯ МОДЫ ВОЛКОВСДи, Пи, КОТОрОИ работает лазер. В то же время известно, что задача нахождения мод плоского многослойного волновода не имеет аналитического решения даже в случае трехслойного диэлектрического волновода. Кроме того, в многослойных

волноводах полупроводниковых лазеров эта задача дополнительно усложняется из-за наличия значительного поглощения и сильного усиления в среде. Это делает невозможным использование простых численных методов расчета диэлектрических волноводов. В то же время, наличие усиления делает возможным появление мод, непохожих на "классические" связанные моды диэлектрического волновода. Примером такой моды является "вытекающая мода" [2-4], поле которой формирует в диаграмме направленности пик с малой расходимостью. Поскольку в такой пик может попадать значительная часть излучаемой мощности, такие лазеры могут позволить упростить используемую совместно с ними оптику, или вообще обойтись без нее [3]. При изготовлении лазеров с узкой активной областью, волноводный профиль показателя преломления формируется не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Параметры этого профиля (ширина ~ 3 мкм) выбираются так, чтобы образующийся волновод имел небольшое число поперечных мод, с сильно отличающимися пороговыми токами лазерной генерации. Как правило, излучение правильно рассчитанных лазерах такого типа имеет почти дифракционную расходимость, а их рекордные мощности находятся на уровне 200-250 мВт [5]. Расчет волновода такого лазера обычно производится с помощью приближенного метода эффективного показателя преломления, сводящего задачу к последовательному решению задачи определения мод -сначала в вертикальной плоскости, а затем в горизонтальной [5]. Таким образом, задача нахождения мод плоского волновода является одной из базовых задач, решаемых при проектировании полупроводниковых лазеров. Для решения этой задачи было разработано довольно много различных методов [4,7,8], однако присущие им недостатки до сих пор вынуждают исследователей разрабатывать все новые методы [10].
В вертикальном направлении, несмотря на большую расходимость, выходной пучок лазера, как правило, является одномодовым. Это значит, что его линейная яркость в этой плоскости является предельно возможной при данной мощности. Иначе обстоит дело с расходимостью излучения в горизонтальной плоскости. Для лазеров с широкой активной областью (~ 100 мкм), профиль лазерного поля в этой плоскости подвержен эффекту филаментации [11-14],

—I—I—,—,—|—,—|—,—|—I—,—I—|—I—I
-60 -40 -20 0 20 40 60
<р, градусы
Рис. 6. Типичная диаграмма направленности полупроводникового лазера, работающего на вытекающей моде
Обкладочные
заднее глухое зеркало(Ы 1)
Рис. 7. многослойный волновод и профиль вытекающей моды.