Инжекционные лазеры с вертикальным резонатором с контролируемой поляризацией излучения

На правах рукописиГРИГАС СТАНИСЛАВ ЭДУАРДОВИЧИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ С ВЕРТИКАЛЬНЫМРЕЗОНАТОРОМ С КОНТРОЛИРУЕМОЙПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ01.04.03 – РадиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,старший преподаватель,Ржанов Алексей ГеоргиевичОфициальные оппоненты:Кандидов Валерий Петрович,доктор физико-математических наук,профессор физического факультетаМосковского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваСазонов Сергей Владимирович,доктор физико-математических наук,профессор, ведущий научный сотрудникнационального исследовательского центра«Курчатовский институт »Ведущая организация:Национальный исследовательскийуниверситет «МЭИ »Защита состоится 21 марта 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационно­го совета Д 501.001.67 при Московском государственном университете им.

М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, дом 1, строение 2, физический факультет, ЦФА им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского госу­дарственного университета им. М.В.

Ломоносова.Автореферат разослан 21 февраля 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного советаКоролев А.Ф.Общая характеристика работыАктуальность работыВо второй половине XX века произошел качественный скачок в развитиителекоммуникационных технологий, вызванный потребностью обмена даннымимежду удаленными вычислительными машинами.

Быстрое развитие сетевыхтехнологий неразрывно связано с повышением скорости передачи данных. Кнастоящему времени разработан стандарт 100GbE, обеспечивающий скоростьобмена информацией 100 Гбит/с. Основу высокоскоростных телекоммуникаци­онных сетей оставляют оптоволоконные линии связи, ключевым элементом ко­торых являются компактные и легко управляемые источники излучения - по­лупроводниковые инжекционные лазеры.Интенсивное развитие полупроводниковых лазеров началось после разра­ботки Ж. Алферовым и Г. Кремером в 1963 году концепции лазерных диодов cдвойной гетероструктурой, излучающих в непрерывном режиме при комнатнойтемпературе [1, 2].

С момента изобретения основными направлениями разви­тия инжекционных лазеров являются миниатюризация, уменьшение потребля­емой мощности, улучшение излучательных характеристик, для чего конструк­ция лазерных диодов постоянно оптимизируется. В конце 70-х годов японскимученым К. Ига был разработан инжекционный лазер с принципиально новойгеометрией, получивший название ”лазер с вертикальным резонатором” (ЛВР,англ. VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser) [3].

Вывод излучения влазерах такого типа осуществляется не с торца полупроводникового кристаллав плоскости активного слоя, а перпендикулярно ей с поверхности устройства(см. рис. 1). ЛВР обладают рядом важных преимуществ перед полосковымилазерами, к числу которых относятся малые пороговые токи, низкая потребля­емая мощность, малая дифракционная расходимость излучения, одномодовыйпо продольным модам режим генерации, возможность формирования двумер­ных массивов лазеров, низкая стоимость вследствие возможности массовогопроизводства с применением планарной технологии.Вместе с тем ЛВР обладают нестабильными поляризационными характе­ристиками: при прямой токовой модуляции лазеров происходят переключениямежду ортогонально поляризованными компонентами излучения.

Из-за шумов,вызванных поляризационной нестабильностью, значительно ухудшается каче­ство оптической связи [5], поэтому важной задачей является разработка ЛВРсо стабильными поляризационными характеристиками.3Рис. 1. а) ЛВР б) полосковый лазер [4]Для контроля поляризации излучения ЛВР применялись различные под­ходы, в частности, использовались лазерные резонаторы неправильной формы[6] или резонаторы с анизотропией, вызванной механическим напряжением [7].Главный недостаток таких методов заключается в существенном усложнениитехнологического процесса изготовления лазеров, что препятствует их исполь­зованию в массовом промышленном производстве.

По этой причине более широ­кое распространение получили методы контроля поляризационных характери­стик ЛВР путем нанесения на верхний слой резонатора поляризационно-селек­тирующих структур, например, металлических пленок с с периодически разме­щенными субволновыми отверстиями [8].Оптические свойства таких пленок привлекают внимание исследователейс конца XX века, когда был открыт эффект аномального пропускания света [9].Было показано, что на резонансных длинах волн коэффициент пропусканияпленок во много раз превосходит коэффициент пропускания одиночной субвол­новой апертуры.

В определенных случаях отражательные свойства структурызависят от поляризации падающей волны, что может быть использовано дляконтроля поляризации излучения ЛВР [8]. Несмотря на то, что с момента от­крытия эффекта аномального пропускания света прошло 15 лет, в настоящеевремя не существует единого подхода к объяснению данного явления. Поэто­му представляют интерес дальнейшие исследования оптических свойств метал­лических пленок с периодически размещенными субволновыми отверстиями,причем особую актуальность приобретает изучение их поляризационных харак­теристик.Эффективность управления поляризацией определяется степенью согласо­ванности спектральных характеристик лазера со спектральными характеристи­4ками поляризационно-селектирующей структуры. При проектировании такихЛВР необходимо учитывать множество взаимосвязанных друг с другом факто­ров, поэтому перед изготовлением лазера необходимо проводить оптимизациюего конструкции.

Для сокращения материальных и временных затрат целесо­образно проводить оптимизацию с использованием методов математическогомоделирования.Большинство работ, посвященных контролю поляризации излучения ЛВР,выполнено без использования полноценных математических моделей, теорети­ческий аппарат при выборе конструктивных параметров устройств использо­вался в ограниченном объеме. Так, проведенный в работе [8] анализ условийвозбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн позволил выбрать па­раметры металлической пленки таким образом, что при фиксированном токенакачки излучение ЛВР было поляризовано в заданном направлении.

Одна­ко при этом неизвестно, насколько эффективно контролируется поляризацияв процессе прямой токовой модуляции. Ответ на этот вопрос могло бы датьпредварительное математическое моделирование.В отдельных работах методы контроля поляризации излучения ЛВР реа­лизованы с использованием результатов моделирования [10, 11]. В данных рабо­тах используются векторные модели ЛВР, предполагающие численное решениеуравнений Максвелла. Такие модели сложны в реализации и требуют суще­ственных вычислительных ресурсов. Более простые и не требующие примене­ния высокопроизводительных ЭВМ скалярные модели не позволяют проводитьрасчет поляризационных характеристик лазеров [12].

Поэтому представляет ин­терес разработка математической модели ЛВР, учитывающей поляризацию све­тового поля в резонаторе и обладающей низкими требованиями к вычислитель­ным ресурсам.Целью диссертационной работы является исследование возможно­сти контроля поляризации излучения ЛВР с использованием поляризационно­селектирующих структур, вводимых в состав распределенных брэгговских отра­жателей. В качестве таких структур в работе рассматриваются металлическиепленки с периодически расположенными отверстиями, диаметр которых мень­ше длины волны лазерного излучения. Для достижения указанной цели былипоставлены и решены следующие задачи.1. Теоретическое и экспериментальное исследование поляризационныхсвойств металлических пленок с периодически размещенными субволно­выми отверстиями.52.

Разработка самосогласованной динамической модели ЛВР, основанной нарешении скалярного волнового уравнения и учитывающей поляризациюлазерного излучения. Модель должна быть применима к ЛВР с поляри­зационно-селектирующими структурами, введенными в состав распреде­ленных брэгговских отражателей.3.

Исследование поляризационной динамики ЛВР с помощью разработанноймодели. Выявление условий, при которых проявляется нестабильность по­ляризации лазерного излучения.4. Исследование возможности контроля поляризации излучения ЛВР с ис­пользованием вводимых в состав распределенных брэгговских отража­телей металлических пленок, обладающих анизотропией отражательныхсвойств. Оценка параметров пленок, обеспечивающих стабильные поляри­зационные характеристики ЛВР при прямой токовой модуляции лазера.Научная новизна1.

Теоретически и экспериментально показано, что тонкие металлическиепленки с периодически расположенными субволновыми отверстиями про­являют в оптическом и СВЧ-диапазонах схожие поляризационные свой­ства несмотря на различную физическую природу возбуждаемых поверх­ностных волн.2. Разработана самосогласованная динамическая модель полупроводниково­го инжекционного лазера с вертикальным резонатором, основанная нарешении скалярного волнового уравнения и описывающая совместную ди­намику ортогонально поляризованных компонент лазерного излучения иинверсной населенности в активной области с учетом спектрального сме­щения лазерных мод относительно контура материального усиления.