Излучательные характеристики инжекционных лазеров со связанными вертикальными резонаторами

На правах рукописиСКОРОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕКЦИОННЫХЛАЗЕРОВ СО СВЯЗАННЫМИ ВЕРТИКАЛЬНЫМИРЕЗОНАТОРАМИСпециальность 01.04.03 - радиофизикаАВТОРЕФЕРАТна соискание ученой степени кандидата физико-математических наукМосква - 20072Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Логгинов Александр Сергеевич;кандидат физико-математических наук,Ржанов Алексей Георгиевич.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Богатов Александр Петрович;кандидат физико-математических наук,Виноградов Имант Имантович.Ведущая организация:Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН.Защита состоится “ 1 ”ноябрядиссертационного советаД 501.001.672007 г.

в15час.00мин. на заседаниифизического факультета МГУ по адресу119991, Москва, Ленинские горы, физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова,ауд.ЦФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “ 27 ” сентября 2007 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук, доцентКоролев А.Ф.3Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияДиссертационная работа относится к области оптоэлектроники, изучающейпроблемы одновременного использования оптических и электрических методовобработки, передачи и хранения информации.

Основные элементы оптоэлектроники –источники света, оптические среды и фотоприемники. Именно благодаря быстромуразвитию технологий в этой области, а точнее в системах оптоволоконной передачиданных, произошел глобальный технологический и научный прорыв в областикоммуникаций - появилась всемирная компьютерная сеть интернет. Одной из основныхсоставляющих технологической революции явилось создание компактных и легкоуправляемых источников когерентного излучения - полупроводниковых лазеров.Начало быстрого прогресса в разработках таких лазеров было положено в научнойгруппе Ж.И.

Алферова, где был создан первый полупроводниковый лазер нагетероструктуре в системе GaAs-GaAlAs, работающий при комнатной температуре. Врезультатеуспешногоразвитиятехнологиисозданиягетероструктурполупроводниковые лазеры стали самым распространенным в мире источникомкогерентного излучения. В 1977 году японским ученым Кеничи Ига была предложенановая геометрия полупроводникового лазера, а сконструированное им устройствополучило название “лазер с вертикальным резонатором” (ЛВР, англ. обозначение –VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Основная идея, заложенная в основуновой геометрии прибора, заключалась в выводе излучения не с торцов лазера вплоскостигетероперехода,а перпендикулярноей.Это позволилооблегчитьизготовление и тестирование новых устройств, а также заметно упростило ихинтеграцию с другими элементами оптоэлектроники. Удачными оказались и рабочиехарактеристики новых лазеров.

ЛВР отличаются от полупроводниковых лазеровизлучающих с торца симметричной диаграммой направленности излучения, малымитоками накачки, одномодовым по продольным модам режимом генерации. Перваяпубликация по этим лазерам появилась в 1978 году, а первое работающее устройствобыло создано в 1979 году.

В дальнейшем ЛВР прошли такой же путь развития, как иполупроводниковые лазеры традиционной геометрии. Демонстрация генерации при4комнатнойтемпературеотноситсяк1988году.Интенсивныеисследования,направленные на создание ЛВР с длинами волн 980, 850 и 780 нм, проводившиеся с1992 года, завершились появлением коммерческих лазеров такого типа.В наши дни развитие этой технологии продолжается. Широкое использованиелазеров с вертикальным резонатором в современной оптоэлектронике ограничиваетсярядом нерешенных проблем.

Можно выделить следующие актуальные темыисследований в данной области.Создание длинноволновых (1300-1550 нм.) и перестраиваемых ЛВР важно длязамены полупроводниковых лазеров классической геометрии, используемых воптоволоконных системах передачи данных на большие расстояния. В таких системахтрадиционно применяются именно длинноволновые лазеры, т.к. длину волныизлучения передатчика выбирают в соответствии с существующими в оптическомволокне спектральными зависимостями затухания и дисперсии. Перестройка длиныволны излучения лазера необходима для реализации возможности использованияодного прибора в качестве передатчика сразу для нескольких каналов в системахпередачи данных со спектральным уплотнением. Помимо этого, перестройка длиныволны позволяет поддерживать спектр излучения прибора постоянным, невзирая наколебания температуры и другие факторы.

Другие применения таких устройств могутлежать и в области спектроскопии.Двухчастотные источники излучения на основе технологии ЛВР могут бытьиспользованы в системах передачи данных, в интерферометрии, в системах считыванияи записи информации.Одночастотные ЛВР уже давно выпускаются промышленностью. Однако ихмощность излучения, как правило, не превышает 1 мВт, что не всегда достаточно дляприменений в системах оптоволоконной передачи данных без использованиядополнительных усилителей.

Кроме того, неоднократно отмечались трудности вуправлении поляризацией излучения лазеров этого типа. Исследования, целью которыхявляетсясозданиеодночастотногоЛСВРсфиксированнойполяризациейиповышенной мощностью излучения, ведутся многими научными группами во всеммире.В качестве одного из возможных путей решения ряда этих проблем предложенаконструкция лазера с двумя связанными вертикальными резонаторами (ЛСВР).5Действительно, в экспериментах такие лазеры уже продемонстрировали режимдвухчастотной генерации, режим одночастотной генерации мощностью свыше 6 мВт,возможности управления поляризацией излучения в процессе работы.

Близкая к ЛСВРсхема была предложена для перестройки длины волны излучения лазера в процессеработы.Полученныевэкспериментахрезультатыявляютсяинтереснымидляприменений в оптоэлектронике. За последние несколько лет было опубликовано болеедвух десятков экспериментальных работ, посвященных этой теме. Однако во многихслучаяхэкспериментальные работы ведутсябезнадлежащеготеоретическогоосмысления и описания.Авторам одной из экспериментальных работ пришлось изготовить целый наборподобных устройств с целью определения параметров конструкции, наиболееподходящих для селекции поперечных мод. Подобные трудности можно ылоустранить, проведя заранее оптимизацию конструкции лазера с использованиемматематическоймоделииметодовчисленногомоделирования.Цельтакойоптимизации должна состоять не только в увеличении мощности излучения лазера, нои сохранении одного из основных преимуществ ЛВР – низких пороговых токовнакачки.Еще в первых экспериментах с ЛСВР была продемонстрирована возможностьуправленияспектральнымихарактеристикамиустройствазасчетизменениясоотношения токов накачки резонаторов.

Однако до появления в конце 2004 годапервой публикаций с анализом работы ЛСВР с использованием скоростных уравненийопределить искомые соотношения токов можно было только экспериментально.Актуальность этой проблемы сохранилась и сейчас, т.к. используемые в указаннойработе скоростные уравнения не учитывают зависимости параметров излучения инакачки от пространственных координат. Из-за этого рассчитанные значенияпороговых токов генерации продольных мод расходятся с экспериментальнымиданными в 1.5 - 2 раза, а теоретические оценки генерируемой лазером мощностивообще не проводились.Существует ряд проблем, которые не рассматривались ни в теоретических, ни вэкспериментальных работах.

При создании ЛСВР для двухчастотной генерациинеизбежно встают вопросы о величине возможного спектрального интервала между6излучаемыми модами, о принципиальных требованиях к конструкции лазера,обеспечивающей стабильную двухчастотную генерацию.Отсутствие достаточно точного математического описания ЛСВР мешаетреализации преимуществ таких устройств и их более широкому внедрению воптоэлектронные системы. На данный момент в литературе можно найти лишьпримеры самосогласованных моделей ЛВР с одним резонатором. Упомянутые вышеработырассматриваютупрощенные(беззависимостипеременныхотпространственных координат) скоростные уравнения для ЛСВР.

Эти модели не могутдать точного описания физических процессов, происходящих в устройстве, еще ипотому, что в них отсутствует важнейшая часть теоретического описания любоголазера – задача нахождения распределения электромагнитного поля внутри структуры.В частности, важная при оптимизации лазера для одночастотной генерации проблеманахожденияраспределенияинтенсивностипоперечныхмодиописанияихконкуренции вообще не рассматривалась. Математическая модель, позволяющаяпроводить подробное теоретическое исследование ЛСВР, с одной стороны необходимадля совершенствования конструкции подобных приборов, а с другой она можетпозволить более полно раскрыть потенциальные возможности таких устройств всовременной оптоэлектронике.Цели диссертационной работыЦели диссертационной работы состояли в создании метода теоретическогоописания ЛСВР и его применении для исследования и оптимизации излучательныххарактеристикполупроводниковыхлазеровсосвязаннымивертикальнымирезонаторами.