Устойчивость одночастотной генерации и когерентность излучения полупроводникового лазера

• Автор: Батрак, Дмитрий Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 98 с. : ил.

Глава I. Модовый подход к рассмотрению динамики генерации полупроводникового лазера
1. Проблема открытого резонатора
2. Условие ортогональности для мод открытого резонатора
3. Система уравнений для амплитуд мод полупроводникового лазера
4. Заключение
ГЛАВА II. Устойчивость одночастотной генерации полупроводникового
лазера
1. Факторы, влияющие на формирование спектра генерации полупроводникового лазера
2. Система уравнений для связанных мод
3. Анализ решения
4. Обсуждение и выводы
Глава III. Спектральная селективность резонатора полупроводникового
а-ЛЕВ лазера
1. Конструкция и принцип работы а-ЛРВ лазера
2. Экспериментальные характеристики
3. Расчет спектров модового усиления
4. Сравнение экспериментальных результатов с расчётными
5. Заключение

Глава IV. Когерентность излучения а-БИЗ лазера
1. Естественная ширина линии полупроводникового лазера
2. Расчёт флуктуаций излучения а-ОБВ лазера, вызванных спонтанным излучением
3. Заключение
Заключение
Литература

Полупроводниковый лазер - компактный, надёжный, высокоэффективный источник когерентного излучения, нашедший широкое применение во многих областях науки и техники. Стремительное развитие некоторых из них, таких как диодная лазерная спектроскопия и оптическая связь, предъявляют всё более строгие требования к параметрам полупроводникового лазера. Одним из таких критически важных параметров является ширина спектра генерации. Типичная структура спектра излучения полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо представляет собой набор пиков, соответствующих различным продольным модам резонатора. Поскольку ширина отдельного пика обычно значительно (на 3 порядка и более) меньше расстояния между ними, то с точки зрения получения максимально узкого спектра излучения желательным является обеспечение генерации только на одной продольной моде резонатора, т.е генерации в одночастотном режиме.
Технология изготовления современных гетеролазеров, в частности, на основе гетероструктур состава АЮаАэЛпСаАз/ОаАз с квантоворазмерными активными областями, достигла такого высокого уровня, при котором появилась возможность для уверенного моделирования значительной части излу-чательных характеристик этих лазеров. Это связано с достаточно высокой воспроизводимостью технологического процесса, а также с исключением из этого процесса неконтролируемых факторов, не предусмотренных физической моделью лазеров. Несмотря на это, остаются излучательные характеристики гетеролазеров, моделирование которых затруднительно. Наиболее показательной характеристикой является оптический спектр генерации и, в частности, условия, при которых он содержит только одну продольную моду. Сразу оговоримся, что здесь речь идет о наиболее распространенных лазерах с резонатором Фабри-Перо, не содержащих специальных селективных эле-

слоев гетероструктуры на величину порядка постоянной кристаллической решётки), в обоих случаях величина Лг была выбрана равной 0,1 мкм. Для лазера с указанными выше параметрами и с коэффициентами отражения зеркал Л,=95 °/0> Я2=5 % по сгенерированным реализациям случайной функции 5е(г) по формулам (11.45) были расчитаны добавки к усилению и сдвиги частоты для набора продольных мод с длинами волн в окрестности Л0=О,98 мкм. Результаты расчёта (добавки к усилению и величина Ртах) для рассматриваемой выборки из сорока продольных мод представлены на Рис. П.7. Первый рассмотренный случай (6п=1(Г6, Рис. П.7(а)) соответствует относительно слабому возмущению спектрального контура усиления: среднеквадратичная величина добавки к усилению в этом случае на порядок меньше величины А . При этом средняя величина (Р0ш)тах слабо отличается от значения (О* для «идеального» случая, однако появляется некоторый случайный разброс. Во втором рассмотренном случае (Зй=10-5, Рис. 11.7(6)) возмущение спектрального контура усиления достаточно сильно: среднеквадратичная величина добавки к усилению одного порядка с величиной А . При этом достижимый уровень выходной мощности более чем на порядок превосходит величину, соответствующую «идеальному» случаю, - для некоторых мод одночастотная генерация возможна вплоть до значений выходной мощности более 200 мВт. Таким образом, возмущение спектрального контура модового усиления вследствие наличия в резонаторе полупроводникового лазера продольных неоднородностей приводит к увеличению максимально достижимой в одночастотном режиме мощности генерации. Эти неоднородности могут быть не только случайными, как в рассмотренном выше случае, но и преднамеренно внесёнными в резонатор. В качестве примера мы рассмотрим единичную неоднородность очень маленького размера (по сравнению с длиной волны излучения), которую можно смоделировать как скачок эффективной диэлектрической проницаемости в виде дельта-функции:
<5 е(2)=Рб(г-г„) (Ц.48)