Высокояркостные полупроводниковые лазеры с гребневой геометрией резонатора

Идея использования полупроводника в качестве активной среды лазера была сформулирована почти 50 лет назад Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым [1,2] Современные лазеры на основе квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур являются примером наукоемкого и высокотехнологичного продукта, использующегося не только в исследовательских лабораториях, но также и в повседневной жизни. Объем их годового производства в финансовом измерении в 2005 году составил около 60% от объема всех производимых лазеров [3]. Это связано с высоким К. П Д гетеролазеров, более 50%, а в некоторых образцах удалось добиться 70% [4], их малыми размерами и высокой надежностью, типичный срок службы превышает 105 часов Однако расширение возможностей устройств, в которых используются полупроводниковые лазеры, требует и усовершенствования параметров лазеров. Одним из таких параметров является яркость пучка излучения лазера.

Одно из основных применений полупроводниковых лазеров — это оптоволоконные системы, включая волоконные лазеры. В этих системах важным параметром является коэффициент введения излучения в волокно (процент мощности излучения, которая была введена в волокно), а он зависит от качества пучка излучения лазера, которое определяет, насколько расходимость пучка превышает дифракционный предел. Имея два лазера с одинаковой мощностью, но разной яркостью, мы получим в волокне разную введенную мощность излучения, и чем выше яркость, тем больше эта мощность. Еще одно применение, которое прочно вошло в повседневную жизнь, — это использование полупроводниковых лазеров в оптических устройствах хранения информации Повышение скорости записи в этих устройствах требует повышения мощности, фокусируемой в данное пятно, т. е. опять же требуется повышение яркости источника излучения. Кроме этого, высокояркостные полупроводниковые лазеры находят свое применение для генерация оптических гармоник, в системах точного целенаведения, системах оптической локации, в космической связи, в исследованиях атмосферы, в медицине, и опять характеристики этих систем определяются яркостью используемого в них источника излучения. Стабильное и высокое качество пучка необходимо для получения одночастотной генерации в полупроводниковом лазере с внешним дисперсионным резонатором, в котором в качестве спектрального элемента используется дифракционная решетка [5] или волоконная брегговская решетка [6,7]. Таким образом, проблема получения расходимости оптического пучка дифракционного качества и высокой яркости для мощных полупроводниковых гетеролазеров является актуальной задачей.

В настоящий момент исследования в решении этой задачи разделились на два подхода к конструкции волновода, в котором распространяется и усиливается излучение. Первый-это «broad area» лазеры, с шириной полоски порядка 100 мкм Основная проблема, с которой столкнулись производители данного типа лазеров — это поперечная неустойчивость поля в волноводе из-за оптической нелинейности [8]. Неустойчивость проявляется в распаде потока излучения лазера на «нити», что приводит к хаотическому распределению интенсивности в поперечном направлении и резкому ухудшению диаграммы направленности излучения. В данное время эта проблема решается с помощью использования рупорных излучателей (МОРА) [9] и лазеров со встроенной наклонной решеткой (q-DFB) [10], их изготовление является сложной технологической задачей, решение которой трудно считать окончательным.

Второй подход к конструированию мощных полупроводниковых лазеров — это использование гребневой конструкции волновода с шириной области накачки и распределения поля порядка нескольких длин волн. Главное преимущество данных лазеров заключается в том, что кроме одной моды в вертикальной плоскости (плоскости перпендикулярной р-n переходу), они обычно имеют одномодовое распределение поля и в горизонтальной плоскости (вдоль р-п перехода), то есть пучок у данного типа лазеров уже имеет дифракционное качество, и для повышения яркости требуется увеличение выходной мощносги излучения, а это сопряжено с рядом проблем. Первая проблема связана с тем, что в полупроводниковом лазере пространственное распределение концентрации носителей не фиксируется на пороге генерации, а с ростом интенсивности излучения деформируется из-за неоднородного их выгорания, приводя к изменению волноводного эффекта в горизонтальной плоскости. Это может привести к возникновению генерации на следующих модах волновода [11] и ухудшению качества пучка. Вторая проблема связана с тем, что в высокояркостных гребневых лазерах, из-за малых размеров поля, при возрастании выходной мощности, плотность потока излучения может достигать величины при которой происходит оптическое разрушение выходных граней лазера [12].

Получение высокой выходной мощности в режиме генерации одной моды требует оптимизации горизонтального волновода гребневого лазера [13]. Горизонтальный волновод в гребневом лазере возникает из-за различия планарной структуры под гребнем и вне, обычно это различие заключается в том, что вне гребня часть слоев вытравлена. В разных планарных структурах эффективный (модовый) показатель преломления также будет различным, что и приводит в случае гребневого лазера к волноводному ограничению в горизонтальной плоскости. В современных полупроводниковых лазерах с квантоворазмер-ной активной областью вертикальное распределение поля зачастую не зависит от уровня накачки и определяется только показателями преломления волноводных слоев гетеро-структуры. Горизонтальный волновод является динамической величиной, зависящей от тока накачки из-за антиволноводного действия носителей и неоднородного теплово1 о разогрева, кроме того может различаться для различных образцов из одной и той же партии, что может быть связано, например, с возникновением случайных напряжений при пайке кристалла. Из-за этого слабый встроенный горизонтальный волновод, определяемый только геометрическими параметрами гребня, приводит к неконтролируемой деформации распределения интенсивности выходного излучения лазера в горизонтальной плоскости. В случае же сильного волновода дефициты усиления между первой и нулевой поперечной модой будут малыми, в результате чего уже при небольшом превышении тока накачки над порогом произойдет переход в режим поперечно-многомодовой генерации с изменением горизонтальной диаграммы направленности и снижением яркости. Таким образом необходимо подобрать такие параметры гребня лазера, чтобы, с одной стороны, горизонтальное распределение поля оставалось стабильным, а с другой — поиеречно-одномодовым, причем, чтобы ток возникновения многомодовой генерации был близок к току, при котором происходит катастрофическая оптическая деградация выходной грани.

Хотя в разработке мощных гребневых полупроводниковых лазеров работает mhoi о научных групп, основное их внимание направлено на технологическую сторону и, в большинстве случаев, поиск оптимальных параметров осуществляется методом проб и ошибок. Такой эмпирический подход к поиску параметров волновода гребневого лазера дорогостоящ и не дает представления о предельно возможных характеристиках излучения лазера. Причем, если необходимо перейти, например, на изготовление лазеров с другой длиной волны, то найденные ранее параметры могут оказаться далеко неоптимальными. Поэтому, с момента появления полупроводникового лазера пытаются создавать модели, позволяющие количественно оценивать его излучательные характеристики.

Наиболее простой моделью полупроводникового лазера является «точечная» модельмодель, в которой пренебрегают распределением поля и носителей как вдоль оси резонатора Z, так и вдоль р-n перехода [14], представляя лазер в виде бесконечной планарной структуры с шириной области накачки W значительной большей чем длина диффузии Ар и длина волны излучения А. Концентрация носителей при таком рассмотрении фиксируется на уровне пороговой концентрации носителей и не зависит от дальнейшего увеличения тока инжекции. 'Точечная" модель позволяет качественно описывать поведение «broad area» лазера вблизи порога генерации, однако, в случае гребневых лазеров предположения XD < W и, А <С W не выполняются, и распределение носителей вдоль р-п перехода не фиксируется на пороге генерации, а зависит от величины тока накачки.

Для описания лазеров с узкой областью накачки была предложена двумерная модель лазера, в которой учитывается распределение носителей и поля вдоль р-n перехода, однако, как и в случае «точечной» модели, вдоль оси Z свойства среды в резонаторе считаются однородными [11,15,16] Двумерная модель часто применяется при анализе влияния параметров конструкции лазера на его излучательные характеристики [17,18], также она реализована в таких коммерческих программах как «Lastip». Эта модель позволяет находить для данного лазера его пороговый ток, распределения интенсивности излучения на выходном зеркале и оценивать дефициты усиления для мод более высокого порядка на пороге генерации Кроме нахождения пороговых характеристик, двумерная модель используется для определения излучательных характеристик при токах накачки выше порогового (11,15−17]. Однако в случае мощных гребневых лазеров учет зависимости характеристик среды вдоль координаты Z необходим, так как в современных лазерах такого типа на одну из граней наносится просветляющее покрытие (выходное зеркало) с коэффициентом отражения 1 -j- 5%, а на другую — покрытие с коэффициентом отражения на уровне 95% (глухое зеркало). Перекос в коэффициентах отражения приводит к значительной неравномерности распределения оптического поля по резонатору при токах накачки, типичных для мощных лазеров, а следовательно, из-за связи между интенсивностью и концентрацией инжектированных носителей, к неоднородности материальных параметров полупроводниковой среды. Из-за этого вычисленные по двумерной модели излучательные характеристики, например, ватт-амперная характеристика, могут существенно отличаться от наблюдаемых.

Естественным развитием двумерной модели является модель, в основе которой лежит представление поля в виде произведения поперечного распределения, зависящего от координаты Z как от параметра, на распределение вдоль оси резонатора, не зависящее от X и Y [19,20]. Численно эта модель может быть реализована следующим образом. Резонатор лазера вдоль оси Z разбивается на несколько участков с длиной Az, на каждом участке находятся, как в двумерной модели, распределение поля и коэффициенты модового усиления, считая материальные параметры независящими от Z. Для связи между интервалами принимается, что вдоль оси Z мощность излучения на каждом отрезке [г, zt + Az] возрастает экспоненциально, с показателем экспоненты равным текущему значению модового коэффициента усиления. Таким образом, поле на одном отрезке и поле на соседнем отрезке связаны только по модулю амплитуды, но нет никакой связи по форме распределения поля и фазе, что снижает область применений данной модели Например, если в какой-то области при двумерном рассмотрении не будут найдены связанные моды данного волновода, что может произойти из-за антиволноводного действия носителей, то становится непонятным что использовать в качестве усиления на данном отрезке.

С развитием вычислительной техники все чаще для анализа поведения полупроводниковых лазеров различных типов стала использоваться модель [10,21−25], в которой распределения носителей и тепла определяются аналогично предыдущей модели, разбивая резонатор на некоторое число отрезков, а для нахождения поля используется метод распространения пучка (МРП) [26]. Как уже было указано, в современных полупроводниковых лазерах вертикальное поле определяется только скачками показателей преломления слоев гетероструктуры и слабо зависит от режима работы, поэтому, для упрощения вычислений методом распространения пучка зачастую используют переход от трехмерного волнового уравнения к двумерному с помощью метода эффективного показателя преломления (МЭПП) [27,28]. В МЭПП поле представляется в квазифакторизованном виде и трехмерное распределение диэлектрической проницаемости заменяется двумерным распределением эффективной диэлектрической проницаемости. Такой переход позволяет существенно сократить время вычислений.

Несмотря на обилие работ по моделированию полупроводниковых лазеров с учетом продольного распределения поля и носителей, расчеты, как правило, выполнялись либо для маломощных лазеров [20], либо для лазеров с наведенным усилением волноводом (gain-guiding) [24]. Что касается мощных гребневых лазеров, работающих в диапазоне выходных мощностей свыше 200 мВт, то их моделирование является актуальной задачей, поскольку они особенно востребованы в современных приложениях.

Изучение полупроводниковых лазеров невозможно без экспериментальных исследований. Знание их излучательных характеристик, таких как распределения полей, ватт-амперная и вольт-амперная характеристики, уровень шумов, спектральные свойства, степень поляризации, позволяет судить о физических процессах происходящих внутри лазера, оценивать материальные характеристики среды, образующей лазер, а также проверять достоверность моделей, описывающих их поведение. Кроме этого, эти характеристики необходимы при практически любом проектировании систем, использующих полупроводниковый лазер Одним из требований к современным экспериментальным системам, особенно при исследовании полупроводниковых лазеров, является необходимость минимизации временных затрат на измерение и обработку экспериментальных результатов. Этого невозможно достичь без автоматизации измерительного процесса, которая требует как разработки и создания электронных плат, так и создания программных продуктов для управления ими. Сбор данных, автоматизированный с помощью компьютера, позволяет получать результаты измерений в виде файлов, которые можно обрабатывать в различных программах анализа, а так же они облегчают процедуру сравнения экспериментальных данных с расчетными.

Ватт-амперная характеристика — одна из основных излучательных характеристик лазера Значение выходной мощности при рабочих токах необходимо в большинстве устройств, использующих полупроводниковый лазер, например, в устройствах оптической записи информации мощность лазера определяет скорость записи Кроме этого, скачки ватт-амперной характеристики, изменение ее наклона позволяют судить о таких процессах, происходящих внутри лазера, как возникновение поперечно-многомодовой генерации, деформация поперечной моды и разогрев лазерного диода [29]. Измерения спектра излучения гетеролазера, с одной стороны, имеют большое значение для понимании процессов, происходящих внутри резонатора. Усредненный спектр лазера в различных режимах работы выглядит, зачастую, по разному, например, когда лазер работает в режиме самоподдерживающихся пульсаций или в режиме многомодовой генерации каждая продольная мода его резонатора Фабри-Перо может расщепляться [30]. С другой стороны, по спектру излучения можно судить о различных материальных параметрах лазера, например, по спектру суперлюминесценции можно определить зависимоть коэффициента усиления для данного тока накачки от длины волны, по сдвигу длины волны в зависимости от температуры одной из мод суперлюминесценции, можно определить температурный коэффициент изменения показателя преломления среды волновода, зафиксировав температуру и изменяя ток накачки можно оценить антиволноводное действие носителей [31]. Все эти величины необходимы для моделирования излучательных характеристик гребневых лазеров Поляризация излучения является важной для технических применений. Как известно, практически любая оптическая система является в той или иной мере поляризационно зависимой, в особенности системы, в которых могут быть брюсгеровские явления.

Распределение интенсивности излучения полупроводникового лазера, наряду с полной световой мощностью, является основной его характеристикой Практически в любой научной публикации, касающейся гетеролазера, приводится распределение интенсивности излучения в дальней зоне. Распределения интенсивности, измеренные при различных токах накачки, также характеризуют происходящие в резонаторе полупроводникового лазера процессы, такие как антиволноводное действие носителей и разогрев кристалла (например, как показано в Главе 3). Кроме того, распределения излучения в ближней и дальней зонах позволяют судить о качестве пучка лазера. Обычно измеряются интегрально-усредненные распределения в вертикальном и горизонтальном направлениях [32], при этом возникает вопрос о точности, с которой реальное двухмерное распределение интенсивности можно представить в факторизованном виде, т. е. в виде произведения двух одномерных распределений для взаимно перпендикулярных поперечных направлений. В последнее время появились статьи, в которых для измерения двумерного распределения ближнего поля используется сканирующий микроскоп ближнего поля [33], позволяющий получать разрешение на уровне десятых долей микрона, однако его использование в повседневных исследованиях полупроводниковых лазеров затруднено из-за того, что полное сканирование ближнего поля занимает время более часа и требует навыков работы со сканирующим микроскопом.

Флуктуации интенсивности в лазере представляют интерес по двум причинам. Во-первых, это характеристика лазерного излучения, которая может определять границу чувствительности устройства, в котором используется лазер Во-вторых, как и другие характеристики, флуктуации интенсивности могут нести физическую информацию о процессах, происходящих в самом лазере. Исследование флуктуаций интенсивности излучения полупроводниковых лазеров имеет большую историю Однако для низкочастотной области основное внимание уделялось в основном так называемым 1// шумам и данные относились к лазерам, работающим в режиме выходных мощностей до десятка милливатт [см. например [34−36] и ссылки там]. Амплитуда флуктуаций в низкочастотной области спектра чувствительна к технологическому качеству лазерных диодов, к режиму работы лазера, например, к числу возбужденных поперечных и продольных мод и т. д. Поэтому в исследованных ранее полупроводниковых лазерах уровень низкочастотных флук-туаций имел значительный разброс от образца к образцу, что чрезвычайно затрудняло анализ шумов. Особенно запутанным выглядело поведение лазера, работающего с выходной мощностью превышающей несколько мВт. Как правило, лазер в этом случае работал в многомодовом режиме, и число возбужденных мод могло сильно отличаться от образца к образцу. Прогресс в области поперечно-одномодовых гребневых лазеров, позволяет по-новому взглянуть на возможности исследования низкочастотных флуктуаций.

В настоящей работе ставились следующие цели:

1 Экспериментальное исследование излучательных характеристик мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазеров гребневого типа для выяснения физических механизмов, ответственных за ограничение яркости их оптического пучка,.

2. Разработка физической модели мощных гребневых лазеров с учетом как поперечного, так и продольного распределений поля и носителей по резонатору;

3. Численное моделирование влияния геометрических параметров гребня на излучательные характеристики полупроводниковых лазеров и поиск оптимальных, относительно яркости, значений этих параметров.

Для достижения этих целей, решались следующие задачи:

• Создание экспериментальной установки для измерения двумерного распределения интенсивности на выходном зеркале мощного полупроводникового лазера ,.

• Создание и автоматизация экспериментальной установки для измерения низкочастотных флуктуаций мощности полупроводникового лазера;

• Модернизация и автоматизация экспериментальных установок по измерению дифференциальной эффективности и степени поляризации излучения полупроводникового лазера;

• Разработка программного обеспечения для управления автоматизированными комплексами;

• Создание программного обеспечения, позволяющего численно исследовать излуча-тельные характеристики (ватт-амперная характеристика, распределение поля в ближней и дальней зонах) полупроводниковых лазеров гребневого типа;

• Сравнение результатов расчета ватт-амперных характеристик и распределений полей излучения в ближней и дальней зонах с экспериментальными данными.

Методами исследования, использованными в настоящей работе, являются.

• Исследование одномерных распределений интенсивности излучения гребневою лазера в дальней зоне при различных токах накачки для двух взаимно-перпендикулярных направлений.

• Исследование двумерного распределения излучения на выходном зеркале гребневого лазера при различных токах накачки;

• Измерение дифференциальной эффективности, ватт-амперных и вольт-амперных характеристик полупроводникового лазера;

• Исследование низкочастотных флуктуаций мощности гребневых лазеров в зависимости от тока накачки и температуры;

• Проведение численных экспериментов по моделированию работы полупроводниковых лазеров гребневого типа.

Особенностью использованных экспериментальных методов исследований является их компьютерная автоматизация, позволяющая получать экспериментальные результаты в форме, пригодной для численного анализа на компьютере.

В первой главе настоящей диссертационной работы описана конструкция полупроводникового лазера гребневого типа и изложен метод эффективного показателя преломления, позволяющий понять появление волноводного эффекта в плоскости слоев гетерострукту-ры лазеров такого типа. Сравнивая результаты численных расчетов волноводных свойств гребневого лазера методом эффективного показателя преломления и методом конечных элементов показана применимость МЭПП при описании гребневых лазеров с типичными параметрами структуры и гребня.

Во второй главе изложены принципы построения автоматизированных экспериментальных установок для исследования излучательных характеристик полупроводниковых лазеров. Описаны основные компоненты и базовые схемы, используемые в этих установках. Приведены блок-схемы установок по измерению двумерного распределения поля в ближней зоне и флуктуаций интенсивности выходного излучения мощного гребневого лазера.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований излучательных характеристик мощных поперечно-одномодовых гребневых лазеров Экспериментально показано, что двумерное распределение поля излучения гребневого лазера можно представить в факторизованном виде, что экспериментально подтверждает применимость метода эффективного показателя преломления при описании волноводных свойств гребневых лазеров. Описаны результаты измерений уровня низкочастотных флуктуаций мощности в гребневом лазере Показано, что в поперечно-одномодовых гребневых лазерах существуют два режима генерации: «спокойной» генерации и переключения мод Спектральная плотность флуктуаций минимальна в режиме «спокойной» генерации и возрастает на несколько порядков в режиме переключения мод Также показано, что спектральная плотность мощности даже в случае «спокойного» режима генерации на несколько порядков превышает теоретический предел.

В четвертой главе приведена постановка задачи об оптимизации волноводных характеристик гребневого лазера для получения пучка излучения высокой яркости. Показано, что используя линейную двумерную модель гребневого лазера, без учета взаимодействия поля и носителей, а также без учета продольной координаты, возможно определить только область в которой находятся оптимальные значения.

Пятая глава посвящена нелинейной модели гребневого лазера, в которой учтены нелинейное взаимодействие излучения и носителей, а также их распределения вдоль оси резонатора. Изложены результаты численных исследований влияния конструктивно-встроенного скачка эффективного показателя преломления 5пст и ширины гребня W на режим поперечно-одномодовой генерации. Показано, что множество значений плоскости Sn^-W можно разделить на 4 области, различающиеся характером возникновения многомодовой генерации. Также показано, что учет зависимости распределений поля и носителей вдоль оси резонатора необходим при моделировании излучательных характеристик мощных полупроводниковых лазеров.

Научная новизна настоящей работы:

1. Разработаны оршинальные методики измерений на основе созданных и автоматизированных в ходе работы измерительных комплексах для исследования излучательных характеристик полупроводниковых лазеров. Методики позволяют получить результаты измерений, таких характеристик лазеров, как распределение интенсивности в ближней и дальней зонах, спектральные распределения, ватт-амперные характеристики и др, в виде числовых массивов данных, записанных в файлы Это обрыло новые возможности сравнения результатов эксперимента с расчетами не только по некоторому «усредненному» или интегральному параметру, например такому, как полуширина диаграммы направленности или спектральная ширина контура линии, как это практиковалось ранее в подавляющем числе традиционных измерений, но и позволило использовать полностью информацию, содержащуюся в больших массивах данных. Следствием применения методик стало, во-первых, повышение ючности измерений, а во-вторых — возможность получения принципиально новой информации за счет более глубокой численной обработки результатов измерений, что было практически недоступно для прежних методик измерений.

2. Создана более реалистичная, по сравнению с предшествующими, физическая модель для описания распределения высокоинтенсивного оптического излучения в резонаторе гребневого гетеролазера с квантоворазмерной активной областью. Она позволяет анализировать влияние различных параметров гребневого лазера на поперечно-одномодовую генерацию при большой выходной мощности с целью получения высо-кояркостного пучка излучения.

Отличительной особенностью модели является учет изменения поперечного профиля оптического пучка и волноводных свойств активной области вдоль оси резонатора лазера Модель использует новый подход к рассмотрению трехмерной оптической задачи, который заключается в сочетании метода эффективного показателя преломления для «быстрой» оси перпендикулярно слоям структуры с методом распространяющегося пучка в плоскости слоев структуры. Это позволяет свести сложную трехмерную оптическую задачу к двум задачам, одна из которых одномерная, а другая двухмерная. В результате с одной стороны, резко упрощается решение полной трехмерной задачи, а с другой, сохраняется ее физическая адекватность применительно к гребневому лазеру.

3. Экспериментально исследованы особенности излучательных характеристик поперечно-одномодовых полупроводниковых лазеров (дальняя зона излучения, ватт-амперная характеристика, флуктуации мощности и др.), работающих при высоких плотностях > 1 • Ю7 ^ оптического потока, достигающих уровень оптического разрушения среды (выходной грани) лазера. Предшествующие исследования относились, как прат вило, или к поперечно-одномодовым лазерам, работающим при сравнительно низкой оптической плотностью потока < 1 • 106 ^ или к лазерам, работающим с высокой плотностью оптического потока, но при этом режим их генерации не был одномодо-вым. Это препятствовало использованию в полной мере результатов предшествующих работ в области высокояркостных лазеров. Особенности, выявленные в настоящей работе, связаны с эффектом пространственного «вьпорания» инверсии внутри резонатора лазера с последующим изменением волноводных свойств его активной области.

4. Сформулирован новый подход к оптимизации конструкции гребневого лазера для получения максимальной яркости излучения, заключающийся в методике выбора для каждой конкретной гетероструктуры и длины резонатора пары оптимальных значений — ширины гребня и скачка эффективного показателя преломления.

Практическая значимость работы:

• Разработаны и созданы, с участием научного коллектива НИИ «Полюс», высокояр-костные гребневые лазеры с длинами волны излучения 0 98 и 0 81 мкм. В поперечно-одномодовом режиме генерации достигнуты выходная мощность более 200 мВт и яркость 5 • 10? JV На настоящий момент эги лазеры обладают наиболее высокими излучательными характеристиками среди отечественных приборов и на уровне мировых достижений для аналогичных приборов. И являются перспективными источниками излучения для систем космической связи, а также для накачки оптоволоконных лазеров;

• Создано программное обеспечение, позволяющее численно расчитывать излучатель-ные характеристики гребневых лазеров как на пороге, так и в режиме лазерной генерации. Его использование позволит сократить как временные, так и материальные затраты на разработку мощных поперечно-одномодовых лазеров;

• Найденный в ходе работы уровень низкочастотных флуктуаций мощных поперечно-одномодовых лазеров позволяет определять предельные шумовые характеристики проектируемых оптоэлектронных систем, использующих высокояркостные полупроводниковые лазеры.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на 5-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Беларусь, Минск, 2005 г.), на семинарах отделения ОКРФ ФИАН и отдела оптоэлектроники ФИАН, а также на научных конференциях МФТИ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика экспериментальных исследований, созданная в настоящей работе и основанная на использовании автоматизированных измерений, позволяет получать данные, характеризующие распределение интенсивности в ближней и дальней зонах, спектральную плотность и флуктуации интенсивности излучения мощных гребневых лазеров, в оцифрованном виде, наиболее адаптивном для сравнения и анализа с результатами расчета, полученными путем численного моделирования.

2. Метод эффективного показателя преломления обладает точностью необходимой для численного моделирования излучательных характеристик гребневых лазеров.

3 Спектральная плотность флуктуаций интенсивности поперечно одномодового лазера не превышает 6- Ю-17 Вт2Гц-1 при выходной мощности на уровне 60 мВт в режиме генерации, соответствующем устойчивой рабочей точке Резкое возрастание уровня флуктуаций в некотором диапазоне токов накачки связано с выходом из устойчивой рабочей точки и переходом в режим переключения продольных мод.

4. Численное моделирование ватт-амперной характеристики по методике, развитой в настоящей работе, позволяет определять для заданных геометрии гребня, длины резонатора и гетероструктуры максимально достижимую мощность излучения лазера в режиме поперечно-одномодовой генерации и, соответственно, проводить оптимизацию конструкции гребневого лазера для получения максимальной яркости пучка излучения. Методика основана на физической модели, учитывающей двухмерное (вдоль оптической оси и вдоль горизонтальной оси лазера) и самосогласованное изменение амплитуды поля и «выгорание» инверсии.

5. Яркость оптического пучка гребневого лазера, работающего в диапазоне 0.81 мкм -0.98 мкм, достигает максимального значение при ширинах гребня W в диапазоне 3-г5 мкм При W < 3 мкм ограничена явлением оптического разрушения выходной грани лазера, а при W > 5 мкм — возбуждением высших поперечных мод. Оптимизация резонатора гребневого лазера позволяет достичь значений яркости 5 •.

Выводы и заключение.

По результатам настоящей работы можно сделать следующие выводы.

1. На основе автоматизированных измерительных комплексах созданы оригинальные методики измерений для исследования излучательных характеристик полупроводниковых лазеров. Методики позволяют получать результаты измерений в виде файлов оцифрованных данных Это открыло новые возможности сравнения результатов эксперимента с расчетами не только по некоторому «усредненному» или интегральному параметру, например такому, как полуширина диаграммы направленности или спектральная ширина контура линии, как это практиковалось ранее в подавляющем числе традиционных измерений, но и позволило использовать полностью информацию, содержащуюся в больших объемах данных Следствием применения методик стало, во-первых, повышение точности измерений, как правило, на порядок величины, так что в типичных случаях относительная ошибка не превышала 0 5%. Во-вторых — появилась возможность получения принципиально новой информации за счет более глубокой численной обработки результатов измерений, что было практически недоступно для прежних методик измерений.

2. В результате исследований шумовых характеристик показано, что в пространственно одномодовых лазерах уровень низкочастотных флуктуаций интенсивности излучения находится в диапазоне 6 • Ю-17 -fЮ-15 Вт2 • Гц-1 при средней выходной мощности 60 мВт и определяется стабильностью режима генерации Дальнейшее уменьшение уровня флуктуаций может быть связано с использованием не только пространственно-одномодовых, но и спектрально-одномодовых волноводов, за счет чего можно было бы исключить не только режим переключения мод, но и существенно подавить подпороговые моды и соответственно уменьшить их роль в лазере.

3. Показано, что метод эффективного показателя преломления обладаег достаточной точностью для нахождения оптических характеристик волновода гребневых лазеров Различия в значениях ширины ближнего поля получаемого этим методом и методом конечных элементов не превышало 3%, а различие в значениях модовых констант распространения не превышало долей процента.

4 Создана более реалистичная, по сравнению с предшествующими, физическая модель для описания усиления и распределения высокоинтенсивного оптического излучения в резонаторе гребневого гетеролазера с квантоворазмерной активной областью Она позволяет анализировать влияние различных параметров гребневою лазера на поперечно-одномодовую генерацию при большой выходной мощности с целью получения высокояркостного пучка излучения.

Отличительной особенностью модели является учет изменения поперечною профиля оптического пучка и волноводных свойств активной области вдоль оси резонатора лазера. Модель использует новый подход к рассмотрению трехмерной оптической задачи, который заключается в сочетании метода эффективною показателя преломления для «быстрой» оси перпендикулярно слоям структуры с методом распространяющегося пучка в плоскости слоев структуры Это позволяет свести сложную трехмерную оптическую задачу к двум задачам, одна из которых одномерная, а другая двумерная. В результате с одной стороны, резко упрощается решение полной трехмерной задачи, а с другой, сохраняется ее физическая адекватность применительно к гребневому лазеру.

5. Показано, что учет распределений поля и концентрации носителей вдоль оси резонатора является существенным для мощных гребневых лазеров, так как модовое усиление на «глухом» и выходном зеркалах уже при превышении тока накачки над пороговым в 2 раза могут различаться в 1.7 раза б На основе выполненных в данной работе исследований, совместно с научным коллективом НИИ «Полюс» разработаны и созданы гребневые лазеры с длиной волны О 81 и 0 98 мкм, с выходной мощностью в непрерывном режиме свыше 200 мВт при сохранении поперечно-одномодовой генерации поля и яркостью оптического пучка излучения на уровне 5 • Ю7^^ .

Таким образом, в диссертации найден эффективный подход к решению задачи создания высокояркостных гребневых лазеров Подход естественным образом включает в себя, как часть, наработанный вариант создания гетеролазеров, заключающийся в использовании существующей технологии выращивания мкачественных" гетеросгруктур для получения требуемых практикой параметров таких, как расходимость излучения вдоль «быст-рой» оси, длина волны и т. д. На этом этапе можно воспользоваться готовой разработкой гетероструктуры, обладающей наиболее высокими потенциальными характеристиками. Хотя, в принципе, подход не исключает и оптическое проектирование самой гетероструктуры С этого момента начинается уже моделирование, суть которого и представляет основу диссертации. Параметры гетероструктуры такие, как толщина слоев и их состав, являются фиксированными входными параметрами в задаче создания высокояркостного лазера Используя эти параметры, задается геометрия гребня и для нее решается задача по нахождению профиля эффективной комплексной диэлектрической проницаемости Далее решается задача по моделированию излучательных характеристик прибора который может быть изготовлен на основе заданной гетероструктуры и с заданными параметрами резонатора, определяемыми гребнем. Одним из главным результатов такого моделирования является наибольшая мощность, которая может быть достигнута в режиме поперечно-одномодовой генерации. Она ограничена или порогом оптическою разрушения выходной грани лазерного диода, или возбуждением поперечных мод высокого порядка, или поперечной самодеформацией моды и даже срывом генерации Автоматически найденная предельная мощность и определяет предельную яркость, которая может быть достигнута в анализируемом приборе Варьируя входные параметры задачи (в значительной степени это относится к форме гребня), можно оптимизировать гетеролазер по критерию наибольшей яркости его пучка. Такая процедура оптимизации значительно сокращает время и материальные ресурсы, по сравнению с процедурой, основанной на полуэмпирическом выборе геометрических параметров гребня, который широко практиковался до настоящего времени. Все сказанное выше обосновано для гетеролазеров гребневого типа Однако можно надеяться, что такой подход в моделировании может быть использован и для гетеролазеров с резонатором другого типа. По существу, единственным серьезным ограничением, которое может возникнуть при рассмотрении других, кроме гребневой, конструкций резонатора, является применимость (точность) метода эффективного показателя преломления. Поэтому в качестве рекомендации для расширения области применения настоящего подхода можно отметить условие дополнительной проверки корректности метода эффективного показателя преломления на другие возможные конструкции i етеролазера.

Работа выполнена в лаборатории инжекционных лазеров ОКРФ ФИАН. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Александру Петровичу Богатову, за полезные рекомендации по проведению как экспериментальных так и теоретических исследований, а также за помощь в проведении анализа полученных результатов. Кроме того хотелось бы выразить благодарность сотрудникам лаборатории за помощь в массе технических вопросов и обсуждении полученных результатов, а также Виктору Васильевичу Поповичеву за предоставленные образцы.