Инжекционные лазеры с вертикальным резонатором с контролируемой поляризацией излучения, страница 3

2 пунктиром,лучше соответствуют эксперименту по положению и амплитуде резонансныхмаксимумов, чем результаты аналитических расчетов.Результаты второй главы опубликованы в работах [A5, A15, A17, A19].В третьей главе приведено описание динамической скалярной самосо­гласованной модели ЛВР, описывающей совместную динамику ортогональнополяризованных компонент лазерного излучения и инверсной населенности вактивной области с учетом спектрального смещения лазерных мод относитель­но контура материального усиления. В модели учитываются анизотропные свой­ства лазерного резонатора и температурные эффекты, возникающие в процессетоковой модуляции. В математической модели ЛВР использованы следующиеприближения.∙ Время установления амплитуды и распределения оптического поля в ре­зонаторе составляет несколько времен пробега волны между зеркалами.Оно существенно меньше, чем характерные времена релаксации неравно­весных носителей, что дает возможность использовать квазистационарноеприближение.∙ Не учитываются фазовые эффекты (некогерентное приближение).∙ Концентрация носителей заряда и плотность фотонов не зависят от ази­мутального угла (аксиальная симметрия).∙ Не учитывается диффузия носителей заряда, т.к.

размеры активной обла­сти меньше длины диффузии.∙ Возбуждается только основная поперечная мода LP01 .Математическая модель ЛВР основана на решении системы скоростныхуравнений, описывающих изменение во времени плотности фотонов в резонато­ре и концентрации неравновесных носителей заряда в активном слое:(︂)︂(︂)︂ () ()1 ()1 ()=−− () +− () +,(2)ΓΓ () () () ()= () () + Γ,= () () + Γ(3)где - усредненная по объему активного слоя концентрация носителей за­ряда, - ток накачки, - элементарный заряд, - объем активного слоя, - среднее время жизни носителей заряда, , - модовое усиление − и−поляризованной моды LP01 , , - времена жизни фотонов с ортогональными11поляризациями в резонаторе, , - усредненные по объему резонатора плотно­сти фотонов со взаимно ортогональными поляризациями, Γ = / , объем резонатора, - коэффициент спонтанной рекомбинации (доля спонтан­ного излучения, попадающая в лазерную моду), - время спонтанной реком­бинации носителей заряда.Модовое усиление () характеризует изменение интенсивности оптиче­ской моды во времени и определяется выражением () = −2 ′′ (), где ′′ ()- мнимая часть комплексной частоты лазерной моды.

Поскольку частота опти­ческой моды изменяется в процессе лазерной генерации, усиление являетсяфункцией времени. Для нахождения модового усиления на каждом шаге по вре­мени рассчитываются распределения электромагнитных полей лазерных мод врезонаторе и их комплексные частоты. В настоящей модели для этого исполь­зуется метод эффективной частоты, предложенный в работе [14] и основанныйна решении скалярных волновых уравнений для электрических полей (r) и (r) ортогонально поляризованных мод:[︀]︀Δ + 02 2 (r) , (r) = 02 (r) (r), (r),(4)где 0 - выбранное фиксированное значение частоты, = 0 / - волновое чис­ло, (r), (r) - профили фазового и группового показателей преломления ре­зонатора ЛВР, = 2 (0 − ) /0 - безразмерный параметр, играющий рольсобственного значения.Вследствие нагрева активной области ЛВР частоты лазерных мод смеща­ются относительно центра спектра материального усиления, что приводит кполяризационной нестабильности лазера.

Для получения поляризационных ха­рактеристик ЛВР производится расчет температуры устройства как функциитока накачки :0 + ℎ (1 − ) 2 =,1 − /ℎ (1 − ) ln (1 + / )(5)где 0 - комнатная температура, ℎ - тепловое сопротивление, - эффектив­ность преобразования электрической мощности в оптическую, - последова­тельное сопротивление p-n-перехода, - коэффициент неидеальности, - по­стоянная Больцмана, - ток насыщения. Результаты третьей главы опублико­ваны в работах [A1-A4, A6-A14, A16, A18].Глава 4 посвящена исследованию возможности контроля поляризации из­лучения ЛВР с помощью металлических пленок с анизотропией отражательных12Рис. 3.

Зависимость отношения интенсивностей ортогонально поляризованных компонент от тока накачки при различных значениях Δ.свойств, вводимых в состав лазерного резонатора. В качестве объекта исследо­вания выбран ЛВР с квантовыми ямами на основе GaAs, излучающий на длиневолны 850 нм, поскольку данный тип лазеров широко используется в оптиче­ских линиях передачи информации на короткие расстояния.

С использованиемдинамической самосогласованной модели ЛВР проведен расчет ватт-амперныххарактеристик лазера при различных значениях степени анизотропии металли­ческой пленки. В качестве количественной меры степени анизотропии исполь­зуется разность Δ между коэффициентами отражения − и − поляризован­ного излучения от РБО, содержащего пленку в своем составе.На рис. 3 показана зависимость отношения интенсивностей ортогональнополяризованных компонент от тока накачки при различных Δ. При Δ ≤0.1%изменение тока накачки сопровождается переключением ортогонально поляри­зованных компонент излучения, что показано на рис.

4. Повышение степенианизотропии Δ до 1% обеспечивает стабильные поляризационные характери­стики ЛВР при прямой токовой модуляции лазера в диапазоне 1-2 пороговыхзначения. Отношение интенсивностей ортогонально поляризованных компонентпри этом достигает 20 дБ и более.Введенные в состав РБО металлические пленки с анизотропией отража­тельных свойств были использованы для контроля поляризации излучения ЛВРТ. Ониши и др. [8]. Экспериментально была показана возможность контроля по­ляризации лазерного излучения при фиксированном токе накачки.

Однако приэтом неясно, будет ли выбранное направление поляризации сохраняться, есливеличина тока накачки изменяется во времени. Полученные в диссертационнойработе теоретические результаты свидетельствуют о возможности использова­13Рис. 4. Ватт-амперные характеристики ЛВР при Δ = 0.1%.ния таких пленок для получения стабильных поляризационных характеристикЛВР при прямой токовой модуляции.В работе [15] для контроля поляризации излучения ЛВР в состав РБОбыла введена периодическая металло-диэлектрическая решетка.

Несмотря надругой тип структуры, физический механизм контроля поляризации остает­ся прежним: отражательные характеристики РБО, а следовательно, и доброт­ность резонатора, зависят от поляризации светового поля. Мода, для которойдобротность резонатора выше, испытывает меньшие потери и поэтому ее интен­сивность больше, чем интенсивность ортогонально поляризованной компонен­ты. Коэффициенты отражения ортогонально поляризованных лазерных мод отРБО с металло-диэлектрической структурой в своем составе отличаются при­близительно на 1%, что обеспечивает стабильные поляризационные характери­стики ЛВР при прямой токовой модуляции лазера в диапазоне 1-2 пороговыхзначения. Приведенные экспериментальные данные хорошо согласуются с по­лученными в настоящей работе теоретическими оценками.Результаты четвертой главы опубликованы в работах [A20, A21].ЗаключениеВ заключение сформулируем основные результаты диссертационной работы.1.

Теоретически и экспериментально исследованы поляризационные харак­теристики аномального пропускания СВЧ-излучения тонкими металличе­скими пленками c периодически размещенными субволновыми отверстия­ми и обладающими анизотропией отражательных свойств. Показано, чтотакие пленки проявляют в оптическом и СВЧ-диапазонах схожие поля­ризационные свойства несмотря на различную физическую природу воз­буждаемых поверхностных волн.

На резонансных длинах волн, близких к14расстоянию между соседними отверстиями, наблюдаются аномально высо­кие значения коэффициента пропускания излучения. Резонансные длиныволн пленки, отверстия в которой расположены в узлах прямоугольнойрешетки, зависят от направления поляризации падающей волны.2. Разработана самосогласованная динамическая скалярная модель полупро­водникового инжекционного лазера с вертикальным резонатором, описы­вающая совместную динамику ортогонально поляризованных компонентлазерного излучения и инверсной населенности в активной области с уче­том спектрального смещения лазерных мод относительно контура матери­ального усиления. Модель позволяет проводить расчет поляризационныххарактеристик излучения ЛВР c различными поляризационно-селектиру­ющими структурами.3.

С использованием разработанной модели определены условия, при кото­рых ЛВР с квантовыми ямами на основе GaAs, излучающие на длиневолны 850 нм, обладают нестабильными поляризационными характери­стиками. Показано, что при прямой токовой модуляции таких лазероввозможны переключения между ортогонально поляризованными фунда­и 01. Характер поляризацион­ментальными поперечными модами 01ной динамики лазера определяется взаимным расположением спектра ма­териального усиления и частот оптических мод.

В диапазоне изменениятока накачки 1-2 пороговых значения поляризационная нестабильностьизлучения ЛВР проявляется, если в начале генерации моды смещены от­носительно центра контура усиления не менее чем на 10 нм в длинновол­новую область. Соотношение интенсивностей лазерных мод определяетсястепенью анизотропии резонатора. Если спектральный интервал междумодами больше 0.1 нм, то при переключении между ними отношение ихинтенсивностей изменяется на 3 дБ и более.4. Показано, что металлические пленки с анизотропией отражательныхсвойств, нанесенные на верхний слой распределенного брэгговского отра­жателя, могут быть использованы в качестве поляризационно-селектиру­ющих структур для контроля поляризации излучения ЛВР, при этом эф­фективность контроля определяется степенью анизотропии пленок.

Дляполучения стабильных поляризационных характеристик лазера с подав­лением одной из поляризационных компонент более чем на 20 дБ припрямой токовой модуляции в диапазоне 1-2 пороговых значения коэффи­циенты отражения ортогонально поляризованных волн от распределенно­го брэгговского зеркала с металлической пленкой должны отличаться неменее чем на 1%.15Список публикаций автора по теме диссертацииРаботы в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ рецензи­руемых научных журналов и изданий для опубликования основныхнаучных результатов диссертаций[A1] Ржанов А.Г., Григас С.Э. Определение параметров волноводных модмногослойных диэлектрических волноводов //Вычислительные методы ипрограммирование.