Эффекты переключения мод в AlGaAs/InGaAs/GaAs полупроводниковых лазерах и интегрально-оптические модуляторы мощного излучения на их основе

• Автор: Подоскин, Александр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г лава 1 Обзор литературных источников. Методы модуляции излучения
полупроводниковых лазеров
Введение
§1.1 Оптические свойства полупроводников
§ 1.2 Методы модуляции выходной оптической мощности полупроводниковых
лазеров
§1.3 Нелинейность ватт-амперной характеристки в мощных лазерах и ее
причины
Г лава 2 Замкнутая мода в мощных полупроводниковых лазерах полосковой
конструкции
§2.1 Исследования излучательных характеристик полупроводниковых лазеров
в режиме срыва генерации мод Фабри-Перо резонатора
§2.2 Исследование условий работы лазеров полосковой конструкции
2.2.1 Спектры электролюминесценции квантоворазмерной активной области в
спонтанном режиме
2.2.2 Исследование спектров поглощения пассивных частей мощных
полосковых лазеров
2.2.3 Исследование спектров усиления активных полосков мощных полосковых
лазеров
§2.3 Теоретический анализ пороговых условий для замкнутой моды в
полосковых лазерах
§2.4 Экспериментальный анализ пороговых условий генерации замкнутой
моды в полупроводниковых лазерах с резонатором Фабри-Перо
§2.5 Методы управления переключением мод Фабри-Перо и замкунтой в
полупроводниковом лазере полосковой конструкции
Глава 3 Моделирование режимов генерации и конкуренции модовых структур в
мощных полупроводниковых лазерах полосковой конструкции
§3.1 Общий подход к анализу процессов генерации и конкуренции модовых
структур в полосковом лазере
§3.2 Моделирование режимов прямой модуляции тока накачки мощного лазера
полосковой конструкции в одномодовом приближении
§3.3 Моделирование случая двух конкурирующих модовых структур
§3.4 Моделирование модуляции мощности моды Фабри-Перо резонатора
методом токовой инжекцией в пассивную часть лазерного кристалла

§3.5 Моделирование модуляции мощности моды Фабри-Перо резонатора
методом приложения обратного смещения к пассивной части лазерного кристалла
3.5.1 Моделирование сопротивления и токов секции управления
3.5.2 Моделирование влияния квантово-размерного эффекта Штарка
3.5.3 Результаты моделирования: оценка скоростей процесса переключения
модовых структур и задержек
Глава 4 Экспериментальные результаты модуляции
§4.1 Экспериментальная методика
§4.2 модуляция мощности моды Фабри-Перо методом прямой токовой
инжекцией в секцию управления
§4.3 модуляция мощности моды Фабри-Перо приложением обратного
смещения к секции управления
§4.4 Исследование и оптимизация режимов управления обратным смещением
§4.5 Исследование режимов модуляции приложением обратного смещения к
секции управления при повышенных токов накачки секции усиления
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность разработки источников мощного модулированного излучения обусловлена широким спектром их применений. В частности, в системах навигации и мониторинга, в радиолокационных комплексах на основе фазированных антенных решеток, в системах беспроводной передачи информации и контроля состояния окружающей среды требуются компактные источники мощного модулированного лазерного излучения. Специфика подобных систем налагает высокие требования по компактности, энергетической эффективности и простоты осуществления модуляции.
Полупроводниковые лазеры на основе двойных гетероструктур раздельного ограничения со сверхнизкими оптическими потерями продемонстрировали высокие характеристики по мощности и энергоэффективности: КПД 74% и более 16Вт выходной оптической мощности [1,2]. При этом ряд физических явлений, возникающих при работе лазеров полосковой конструкции, позволяет реализовать интегрально-оптическую конструкцию лазера-модулятора. К таким явлениям, в частности, относится возникновение в лазерном кристалле мощного Фабри-Перо лазера новых модовых структур с высокой добротностью. Такие модовые структуры охватывают весь кристалл полоскового полупроводникового лазера, испытывая при распространении полное внутреннее отражение от всех четырех сколов лазерного кристалла.
Пороговый характер этих явлений позволяет реализовать переключение генерации между модой резонатора Фабри-Перо резонатора и высокодобротной замкнутой модой за счет изменения условий распространения замкнутой моды в кристалле. Изменения условий распространения замкнутой моды и, соответственно, пороговых условий возможно реализовать за счет изменения поглощения на линии генерации замкнутой моды в пассивной части лазерного кристалла.
Таким образом, задача исследования особенностей работы лазеров полосковой конструкции и явлений переключения модовых структур является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании процессов взаимодействия модовых структур резонатора Фабри-Перо и замкнутой в мощных полупроводниковых лазерах полосковой конструкции на основе двойных гетероструктур раздельного ограничения и создании модулятора мощного
лазерного излучения на основе явления конкуренции модовых структур резонатора Фабри-Перо и замкнутой.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач:

спектрального и пространственного [65, 66] выгорания носителей заряда, появления утечек в волноводные слои [65] и делокализация носителей заряда [64] при больших уровнях возбуждения. Отличительной особенностью воздействия представленных факторов является плавное падение внешней дифференциальной эффективности с ростом тока накачки. Однако в ряде работ [67-71] представлено другое явление, ограничивающее достижение максимальной выходной оптической мощности, и, характеризуемое аномальной нелинейностью излучательной эффективности, проявляющейся в виде резкого обратимого падения выходной мощности, связанное со срывом генерации мод Фабри-Перо резонатора (ФПМ). Обратимое падение выходной оптической мощности наблюдалось как в лазерах на квантовых ямах [67, 68], так и в лазерах на квантовых точках [70]. В работах [67, 68], были рассмотрены стационарные излучатедьные характеристики, не позволяющие объяснить механизм развития процесса обратимого падения мощности. В работе [70] наблюдаемый эффект обратимого падения оптической мощности в лазерах на квантовых точках связывался с изменением добротности ФПМ лазера за счет перераспределения концентрации носителей в активной области. В работе [69] обратимое падение мощности связано с разрушением латерального волновода, вызванного ростом температуры и концентрации носителей заряда в активной области.
Заключения по обзору литературы
1. Физический принцип модуляции оптических свойств (поглощение и показатель преломления) вещества (полупроводников) - подробно описан и позволяет проводить расчеты и оценки.
2. Явления на краю спектра поглощения полупроводников (экситон, эффекты Штарка и Франца-Келдыша), в особенности в квантоворазмерных структурах -дают возможность высокоэффективной модуляции оптических свойств.
3. Модуляция выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров за счет прямой модуляции тока накачки ограничена как по мощности, так и по частотам.
При малосигнальной модуляции основными недостатками являются:
- ограничение по динамическим характеристиками полупроводникового лазера как колебательной системы.
- ограничение глубины модуляции (-Зс1В)
При высокосигнальном режиме модуляции основными недостатками являются:
- нелинейность процессов динамики концентраций носителей заряда и выходной оптической мощности, приводящая к релаксационным колебаниям.