Волноводные свойства и диаграмма направленности излучения квантоворазмерных гетеролазеров

• Автор: Устинов, Антон Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 85 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Цели работы
Выносимые на защиту положения
Новизна
Обзор литературы
Глава I. Расчет волноводных свойств многослойной квантоворазмерной полупроводниковой структуры
1.1. Оптическая модель
1.2. Анализ распространения мод
1.2. Итерационный поиск мод на комплексной плоскости
1.3. Выводы
Глава П. Электродинамика формирования диаграммы направленности и фактор наклона применительно к распределению интенсивности в дальней зоне полупроводникового лазера
1.1. Фактор наклона для распределения интенсивности излучения в дальней зоне лазера
3.2. Электродинамический расчет .4:і
3.3. Выводы
Глава Ш. Экспериментальное исследование диаграммы направленности и ее особенности для квантоворазмерных ІпОаАБ гетеролазеров
3.1. Установка для экспериментального исследования диаграммы направленности
3.2. Математическая обработка экспериментальных данных
3.3. Экспериментальное определение фактора спонтанного излучения в моду полупроводникового лазера, работающего на «вытекающей» моде
3.3.1. Лазер, работающий на «вытекающей» моде
3.2.2. Эксперимент
3.2.3. Выводы
Глава IV. Оптимизация конструкции «гребневого» лазера по параметру максимальной мощности в режиме генерации одной фундаментальной пространственной моды
4.1. Оптимизация значения скачка эффективного показателя преломления
4.2. Оптимизация высоты «гребня» лазера
Список литературы
Приложение
Описание программы управления экспериментальной установки

Введение
Идея создания полупроводникового инжекционного лазера была сформулирована Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным и Ю.М. Поповым еще в 1961 году [1]. В последующих работах эта идея была реализована в виде ОаАз лазера на р-п переходе [2-4], а затем получила развитие в создании гетеролазеров [5-9].
Полупроводниковые инжекционные лазеры удачно сочетают в себе целый ряд положительных качеств, выгодно отличающих их от других типов лазеров, таких как высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения, малые размеры, возможность получения частоты генерации в широком диапазоне, простоту накачки и возможность прямой модуляции в широкой полосе частот.
Растущая популярность полупроводниковых инжекционных лазеров обусловлена, главным образом, двумя обстоятельствами: их уникальными свойствами и постоянным улучшением их характеристик. В настоящее время инжекционные лазеры широко применяются в таких областях, как техника связи, голография, метрология, спектроскопия и др. Экспоненциальный рост пропускной способности каналов связи открывает возможности передачи громадных объемов информации в наиболее отдаленные районы мира с приемлемыми затратами. Эта революция в объеме передаваемой информации порождается быстрым развитием оптической связи.
Наряду с очень большой пропускной способностью, предсказанной в конце пятидесятых годов, когда был изобретен лазер, оптическая связь имеет ряд других преимуществ. Отдельно следует отметить неметаллическую природу передающей среды, что определяет неподверженность непредвиденным электромагнитным воздействиям и электромагнитным помехам, отсутствие заземления, относительную скрытность передачи и, наконец, способность противостоять электромагнитным импульсам, что

является проблемой для многих обычных проводных, а также радиотехнических и спутниковых систем передачи [10].
Использование двойных гетероструктур, в которых слой узкозонного полупроводника заключен между двумя слоями широко зонного, позволило реализовать условие электронного и оптического ограничения. Электронное ограничение заключается в том, что потенциальный барьер на гетерогранице препятствует диффузии инжектированных электронов за пределы активной области. Кроме того, поскольку показатель преломления узкозонного полупроводника выше, чем у широкозонного, гетероструктура образует плоский диэлектрический волновод эффективно ограничивающий оптический поток от растекания в пассивные поглощающие области. Реализация одновременно электронного и оптического ограничения позволила снизить пороговую плотность тока в десятки раз и получить режим непрерывной генерации при комнатной температуре. В дальнейшем были созданы гетеролазеры, содержащие пять и более слоев с раздельным электронным и оптическим ограничением [11-13]. Переход к комнатным температурам существенно расширил сферу применения инжекционных лазеров.
Наиболее высокие излучательные характеристики достигнуты для квантоворазмерных гетеролазеров, различные варианты которых, например напряженные квантоворазмерные структуры, составляют интенсивный предмет исследований в настоящее время. Для современных гетеролазеров достигнуты рекордные среди всех других лазеров значения полного к.п.д. преобразования электрической мощности в мощность оптического пучка [14] (до 50% от “розетки”), что и стимулирует их дальнейшее развитие. В частности, благодаря таким высоким излучательным характеристикам стала возможной их интеграция в двумерные матрицы [15], излучающие оптические потоки на уровне сотен Ватт и более в квазинепрерывном режиме.

Е(Л, <р) = К(Д, <р) и{хук°**іп9<іх

К(Я,ф) = -е
Здесь Я - расстояние до точки наблюдения, ф - угол (см. рис. 3), Е(Я, ф) - напряженность поля в “дальней зоне” (большие Я), І(ф) - поток энергии в угол сіф (плоскость Х2, рис. 3) на участке единичной длины вдоль Оу, К(ф) -фактор наклона, Щх) - электрическое поле на поверхности выходного зеркала лазера, х - поперечная координата, перпендикулярная плоскости слоев гетероструктур лазера, г - координата вдоль направления распространения моды, /? - комплексная константа распространения, со -оптическая частота, ка= со/с, с -скорость света в вакууме. Зависимость полей от времени еш опущена.
Подставляя выражение для Е в I, получим
в котором показана связь 1(ф) с Щх) через фактор наклона К(ф).
Исторически, аналог этого коэффициента впервые был введен Френелем в известном соотношении для принципа Гюйгенса-Френеля для задач дифракции. Впоследствии, в теории дифракции Кирхгофа (см. напр., [75]) для него было получено значение ~(1+Совф).
Следует заметить, что поскольку точное решение задач дифракции известно исключительно для нескольких простых случаев, то выражения общего вида для этого коэффициента не существует. По-видимому, это явилось одной из причин, по которой для полупроводниковых лазеров использовались совершенно разные соотношения, например такие, как: