Диссертация (1149847), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При подготовке диссертационной работы былпроведен обзор научной литературы, связанной с тематикой исследования. Быларазработана математическая модель, на основе которой проводилось численноеисследование динамики генерации излучения в лазере на квантовых точках. Припомощи численного моделирования с использованием алгоритмов, основанных наметоде продолжения по параметру, было исследовано влияние основныхуправляющих параметров лазерной системы на характеристики динамическихнеустойчивостей, возникающих при генерации.На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:1) в лазере на квантовых точках с инжекцией внешнего оптического сигналасуществуют режимы симультанной генерации возбужденных колебаний I и IIрода, при этом во временной зависимости интенсивности излучения из основногои первого возбужденного энергетического состояния наблюдаются сериипротивофазных пичков;82) причиной возникновения режима возбужденных колебаний II рода влазере на квантовых точках с инжекцией внешнего оптического сигнала являетсятермически индуцированное изменение величины расстройки между частотойизлучения управляющего лазера и частотой излучения управляемого лазера;3) контроль за рядом параметров режима возбужденных колебаний II рода,к числу которых относятся: длительность стадии квазистационарной генерации,длительность стадии быстрых осцилляций, число пичков на стадии быстрыхосцилляций – возможен в широком диапазоне значений и может быть реализованпутем изменения интенсивности инжектируемого сигнала;4) причиной возникновения режима возбужденных колебаний I рода влазере на квантовых точках с инжекцией внешнего оптического сигнала являетсяиндуцированный шумами срыв из устойчивого стационарного состояния споследующим длительным переходным процессом и возвратом к указанномусостоянию.Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверностьполученных в ходе теоретического исследования результатов подтверждаетсяполученными экспериментальными данными, а также общим соответствием сданными, приведенными в других работах. Материалы диссертационногоисследования прошли апробацию в виде устных и стендовых докладов наследующих конференциях, в том числе международных: SPIE Photonics Europe2016 (7th International Conference “Semiconductor Lasers and Laser Dynamics”),Брюссель, Бельгия, 3 –7 апреля 2016; 17th International Conference “Laser Optics2016”, Россия, Санкт-Петербург, 27 июня – 1 июля 2016 г; SPIE Photonics West2016 (24thInternational Conference “Physics and Simulation of OptoelectronicDevices”), Сан-Франциско, США, 13 – 18 февраля 2016; European QuantumElectronics Conference 2017, Мюнхен, Германия, 25-29 июня.Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работв изданиях, индексируемых Scopus и Web of Science, рекомендованных ВАК вкачестве изданий для публикации результатов исследований при соискании9ученой степени кандидата наук, в том числе 3 публикации в научных журналах[126, 128, 144], 4 публикации тезисов докладов [127, 129, 142, 145].Личный вклад автора. Цели и задачи исследования были определенысовместно диссертантом и научным руководителем. Теоретическое исследованиединамики лазерной генерации и анализ экспериментальных данных проводилисьдиссертантом. Подготовка к публикации результатов исследования выполняласьдиссертантом совместно с соавторами.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит извведения, четырех глав и заключения.
Работа изложена на 122 страницах,содержит 34 рисунка, 6 таблиц, список использованной литературы, включающий148 наименований, и 1 приложение.101 Полупроводниковые лазеры1.1 Развитие полупроводниковых лазеровНа сегодняшний день полупроводниковые лазеры получили чрезвычайноширокое распространение в науке и технике, играя ключевую роль в технологияхоптической передачи данных, оптической записи информации, метрологии испектроскопии, обработке материалов, биомедицине, накачки других типовлазеров [1].
Постоянно возникают новые приложения, в которых востребованыданные лазеры.Одной из важнейших областей применения полупроводниковых лазеровявляются оптоволоконные информационные системы. Использование данныхлазеров позволяет значительно упростить конструкцию передающего устройства.В режиме синхронизации мод, а также при непосредственной модуляции токомнакачки удается достичь гигабитных скоростей передачи данных.Впервые на возможность получения лазерной генерации в полупроводникахуказала группа исследователей во главе с Н. Г. Басовым [2] в 1960 г.
В 1962 сразунесколько исследовательских групп независимо разработали полупроводниковыелазеры [3-6]. Первые полупроводниковые лазеры проявили ряд серьёзныхнедостатков, к числу которых, в первую очередь, относились: высокие пороговыетоки накачки, низкий КПД, возможность работы лишь при экстремально низкихтемпературах. Несмотря на указанные недостатки, острая необходимость вданных лазерах для ряда важных областей оптоэлектроники стимулировала ихдальнейшую разработку.Важнейшимиэтапамиразвитияполупроводниковыхлазеровсталиисследование свойств гетероструктур [7, 8] и совершенствование технологий ихвыращивания[9].В1969г.вполупроводниковомлазеренаосновегетероперехода GaAs/AlGaAs впервые удалось получить непрерывный режимлазерной генерации при комнатных температурах [10].
Тем самым был устраненосновной недостаток первых полупроводниковых лазеров – возможность работытолько при криогенных температурах окружающей среды.11К основным достоинствам полупроводниковых лазеров, прежде всего,относятся: низкая стоимость, компактность, простота и надежность конструкции,возможность накачки непосредственно электрическим током, что облегчаетвстраивание данных лазеров в более крупные оптоэлектронные устройства.Кроме того, прямая накачка электрическим током позволяет повысить КПДданных лазеров до 80-90 %, что значительно превышает КПД твердотельных игазовых лазеров (не более 25%). Несмотря на то, что последние превосходятполупроводниковые лазеры по качеству пучка и устойчивости генерации,вследствиебольшихкомпактностииразмероврезонатора,эффективностиблагодарясвоейполупроводниковыенадежности,лазерызанимаютлидирующую позицию на рынке [11].В зависимости от направления выходного излучения полупроводниковыелазеры делятся на традиционные лазерные диоды, направление излучения вкоторых перпендикулярно направлению роста кристалла, и, так называемые,лазеры с вертикальным резонатором (англ.
vertical cavity surface emitting laserсокр., VCSEL), в которых оптическая ось резонатора совпадает с направлениемроста кристалла.Лазерные диоды представляют собой полупроводниковые лазеры надвойном гетеропереходе. Обычно в качестве зеркал в данном типе лазеровиспользуютсяполированныеграниполупроводниковогокристалла.Этостановится возможным благодаря высокому коэффициенту усиления активнойсреды.
Наиболее существенным недостатком диодных лазеров является высокаяугловая расходимость излучения и чувствительность к температуре окружающейсреды.Благодаряразвитиютехнологийвыращиванияквантоворазмерныхструктур, диодные лазеры постепенно вытесняются лазерами на квантовых точкахи квантовых ямах. Данный факт проиллюстрирован на рисунке 1, на которомпоказаны основные исторические этапы развития полупроводниковых лазеров исоответствующие им основные прикладные направления использования.12Рисунок 1 – Историческое развитие полупроводниковых лазеров. LD – классическиелазерные диоды; QW – лазеры на квантовых ямах; QD – лазеры на квантовых точках.Ключевой особенностью VCSEL является возможность одномодовойгенерации, что позволяет получать излучение с низкой угловой расходимостью исимметричной диаграммой направленности [12].
Указанные лазеры относятся клазерам на квантовых ямах. Использование подобных низкоразмерных квантовыхструктур обеспечивает низкий пороговый ток накачки, высокие частотырелаксационных колебаний и оптическое усиление. Впервые генерация в VCSELпри комнатной температуре была получена группой японских исследователей в1988 г [12]. VCSEL являются чрезвычайно перспективными для применения воптических системах связи.
Уже сейчас указанные лазеры позволяют обеспечитьскорость передачи данных 10Гб/с. В ближайшем будущем планируетсядостигнуть скорости передачи 25Гб/с [13].Требования к техническим характеристикам полупроводниковых лазеровпостоянно повышаются. При этом накладываются жёсткие ограничения настоимость данных устройств. Указанные обстоятельства вызывают повышенныйинтерес к модернизации существующих и разработке новых полупроводниковыхлазеров со стороны инженеров и исследователей.131.2 Коэффициент амплитудно-фазовой связиДля различных приложений одной из важнейших характеристик лазерногоизлучения является ширина линии излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
