Излучательные характеристики инжекционных лазеров со связанными вертикальными резонаторами (1102991), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:1.Разработана математическая модель ЛСВР и создана программа длячисленного моделирования процессов генерации, происходящих в таких устройствах.2.С использованием созданной модели определены: (1) пределы измененияспектрального интервала между излучаемыми модами в режиме двухчастотнойгенерации; (2) условия возбуждения продольных мод лазера; (3) длины волн ипространственные распределения мод, а также (4) вариаций этих параметров впроцессе генерации.73.Детально изучены и объяснены причины перехода ЛСВР из режимадвухчастотнойгенерацииводночастотныйинаоборот,наблюдавшегосявэкспериментах.4.В применении к лазеру с двумя связанными резонаторами оцененаэффективность способов подавления поперечных мод, использованных ранее длярешения подобных задач в однорезонаторных ЛВР.
Оптимизированы параметрыселектирующих конструкций, обеспечивающих максимальное подавления поперечныхмод высоких порядков.Научная новизна диссертационной работы1.волновогоНа основе модернизированного метода эффективной частоты решенияуравнениядинамическаявпервыематематическаяпредложенамодельиреализованаинжекционноголазерасамосогласованнаясосвязаннымивертикальными резонаторами, учитывающая динамическое изменение профилей мод впроцессе генерации, диффузию и пространственное выжигание носителей в активныхслоях, зависимость показателя преломления активной области от концентрацииносителей.Модельреализованабезупрощенийуравненийдляаксиально-симметричных устройств.2.Установлено впервые, что спектральные интервалы между продольнымимодами ЛСВР при двухчастотной генерации лежат в пределах от 0.08 до 60 нм.Определены параметры конструкции устройства, необходимые для реализациизаданных спектральных интервалов между модами.3.Показано, что ионная имплантация является более эффективнойтехнологией для подавления поперечных мод, чем формирование рельефа наизлучающей поверхности ЛСВР за счет удаления одного или нескольких слоевверхнего брэгговского зеркала.
Установлено, что сопоставимая эффективностьподавления мод для этих двух конструкций может быть достигнута лишь при глубоком(порядка несколько сотен нм) травлении верхнего брэгговского зеркала с цельюформирования на нем рельефа.8Научная и практическая значимость работыСозданная математическая модель может быть использована для улучшенияизлучательных характеристик ЛСВР.
Модель позволяет достаточно точно (вбольшинстве случаев с погрешностью в пределах 10-15%) предсказывать значенияпороговых токов и мощностей конструируемого прибора.Оптимизация конструкции лазера и модельный расчет позволяют повыситьэффективность проектирования инжекционных лазеров для волоконно-оптическихлиний связи, приборов для считывания или записи информации и других устройств,составляющих основу современной оптоэлектронной техники.
Возможность расчетаспектральныхконструкцииинтерваловустройствапроектированиимеждудляихдвухчастотныхпродольнымиреализациилазеровмодамимогутсЛСВРбытьипараметрыиспользованызаданнымиприспектральнымихарактеристиками.Положения, выносимые на защиту1.Анализ и доказательство возможности генерации в ЛСВР двухпродольных мод, разделенных спектральным интервалом, лежащим в пределах от 0.08до 60 нм.
Нижнюю границу указанного интервала определяют тепловые эффекты иточность изготовления устройства, верхнюю – конечная полоса коэффициентаотражения брэгговских зеркал. Величину спектрального интервала между модамиопределяют коэффициент пропускания среднего зеркала и соотношение оптическихдлин резонаторов.2.Для реализации стабильного двухчастотного режима генерации в лазерахсо связанными вертикальными резонаторами целесообразно использовать лазер срезонаторами разной оптической длины. Достаточная для достижения стабильногорежима генерации расстройка оптических длин резонаторов может быть обеспечена нетолько выбором нужных геометрических параметров устройства, но и использованиемзависимости показателей преломления от концентраций носителей тока.93.Ионнаяимплантацияявляетсяболееэффективнойтехнологиейподавления поперечных мод, чем формирование рельефа на излучающей поверхностиЛСВР за счет удаления одного или нескольких слоев верхнего брэгговского зеркала.Сопоставимая эффективность подавления мод может быть достигнута лишь притравлении верхнего брэгговского зеркала с целью формирования на нем рельефаглубиной порядка нескольких сотен нанометров.Апробация диссертационной работыРезультаты работы были представлены на 4 международных научныхконференциях:1.“Квантовая Электроника 2006”, Белоруссия, Минск, Ноябрь 2006.2.International Conference on LASER and FIBER-OPTICAL NETWORKSMODELING (LFNM), Украина, Харьков, Июнь 2006.3.Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых “Ломоносов-2005”, Москва, Апрель 2005.4.International Conference on LASER and FIBER-OPTICAL NETWORKSMODELING (LFNM), Украина, Алушта, Июнь 2003.По материалам диссертации были сделаны доклады на семинарах кафедрыФизики колебаний физического факультета МГУ, а также на семинарах лаборатории“Быстропротекающихпроцессоввприборахиматериалахтвердотельнойэлектроники”.По результатам исследований опубликованы 3 статьи и 5 тезисов докладов наконференциях, список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав текста, выводов и спискалитературы.
Общий объем составляет 109 страниц. Диссертация включает 28 рисункови 7 таблиц. Библиография содержит 108 наименований, а также 8 авторскихпубликаций, представленных в отдельном списке.10Краткое содержание диссертацииВо Введении содержится описание области научных исследований, к которойотносится данная работа.
Кратко изложено содержание представленных в литературеработ по данному направлению и обоснована актуальность темы исследований.Изложены цели диссертационной работы и ее наиболее важные результаты вместе сописаниями их новизны и практической значимости. Приведено краткое изложениесодержания диссертации.Глава I представляет собой обзор литературы, в котором рассматриваетсясовременное состояние исследований полупроводниковых лазеров с вертикальнымрезонатором.Описаныосновныеразличиямежду лазерамисвертикальнымрезонатором и традиционными инжекционными лазерами, излучающими через край(см. рис.
1). Рассматриваются принципиальные преимущества и недостатки ЛВР.(а)(б)(в)Рис. 1: Традиционный инжекционный лазер, излучающий через край (а); лазер свертикальным резонатором (б); лазер с вертикальным резонатором ибрэгговскими зеркалами (в).Наряду с описанием современных ЛВР проведен анализ основных тенденцийразвития таких приборов Подробно рассмотрено состояние дел в следующихнаправлениях развития теории и технологии ЛВР:•длинноволновые ЛВР, работающие в диапазоне длин волн 1.3 и 1.55 мкм;•одночастотные ЛВР повышенной (более 1 мВт) мощности;•двухчастотные ЛВР;•перестраиваемые ЛВР;•многомодовые ЛВР с мощностью излучения порядка 1 Вт.Вразделе,посвященномтехнологиямсозданияодночастотныхЛВРповышенной мощности, представлено описание более десятка различных методик11подавления поперечных мод и контроля поляризации излучения, применявшихся вподобных лазерах.
Выходные мощности и пороговые токи устройств, созданных сиспользованиемтехнологийизэтогосписка,сведенывтаблицу,дающуюпредставление о характеристиках современных одночастотных ЛВР.Приведено описание методик математического моделирования лазеров свертикальным резонатором. Рассмотрены основные части полной математическоймодели полупроводникового лазера: электрическая, тепловая и оптическая. Оптическиемодели разделены на скалярные и векторные.
В последнем параграфе Главы Iрассмотреныопубликованныетеоретическиеиэкспериментальныеработы,посвященные изучению свойств лазеров со связанными вертикальными резонаторами.На основании рассмотренных статей дано обоснование актуальности выбранной темыисследований.В Главе II приведено описание предложенной математической модели лазера сосвязанными вертикальными резонаторами и дано ее обоснование.Оптическая часть модели базируется на использовании метода эффективнойчастотырешенияскалярноговолновогоуравнения,модифицированногодляиспользования в лазерах со связанными резонаторами.
Этот метод обеспечивает:•высокую для скалярного метода точность;•быстроту расчета, оставляющую возможность проводить решение уравненийоптической части модели на каждом шаге по времени;•учет группового показателя преломления.Эффективность использования метода эффективной частоты подтвержденапримерами его использования другими научными группами.Основная идея метода состоит в представлении трехмерного скалярногоуравненияГельмгольцадвумяуравнениями,описывающимираспространениеизлучения в направлениях: перпендикулярном зеркалам (ось z) и в плоскости слоевлазера, где заданы полярные координаты ( ρ , ϕ ), как показано на рис.2.12.(а)(б)(в)Рис. 2: Конструкция ЛСВР.
(а) – трехмерный вид, (б) – схема ЛСВР,использовавшаяся в расчетах, (в) - профиль показателя преломления вдоль оси z(РБО – распределенный брэгговский отражатель).Динамическая часть модели рассматривает изменения концентраций носителейв активной области и фотонов в резонаторе с течением времени. С этой цельюпроводится решение скоростных уравнений для лазера с двумя резонаторами.
Этиуравнения должны учитывать наличие в ЛСВР двух продольных мод, которые обычнообозначаются как L – мода (мода с большей длиной волны) и S-мода (мода с меньшейдлиной волны). Благодаря этому скоростные уравнения для ЛСВР обладаютособенностями, отличающими их от традиционных скоростных уравнений дляполупроводникового лазера с одним резонатором:•при достаточном усилении в обеих активных областях продольные моды L иS выжигают носители как в “своем”, так и в “чужом” резонаторах и,соответственно, усиливаются в обоих резонаторах;•напротив,вслучаееслиоднаизактивныхобластейнакачиваетсянедостаточно, в ней будут поглощаться фотоны обеих продольных мод.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
