Динамические и спектральные свойства полупроводниковых интегрально-оптических лазерных излучателей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

АВРУТИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.375.826; 621.382

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ. (01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С.-Петербург 1993

Раоота выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель:

ведущий научный сотрудник

кандидвт физ.-мат. наук Е.Л. Портной. Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат.наук И.Н. Яссиевич,

"октор физ.-мат.наук В.М. Чистякоа

Ведущая организация - Санкт-Петербургский технический университет.

Защита диссертации состоится "У" Уреёр^^ 1994 г. в (5Р час. на заседании специализированного совета К.003.23.01 при <1>изико-техническом инотитуте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., д.26

С диссертацией могао ознакомиться в читальном зале библиотеки Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим ' присылать по вышеуказанному адресу на имя учбного секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "Р*/"

УчЧннй секретарь' специализированного совета, д.ф.-м.н. Г.С.Куликов

сьЬ^

19ЭЗ

Г.

- Э -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Работа объединяет ряд исследований, выполненных в течение 1988-1993 гг. и посвящбнных теоретическому и численному анализу ряда аспектов физики полупроводниковых лазеров (ГШ). Специфика работы автора в группе интегральной оптики ФТИ обуславливает то, что в данную диссертацию вошли работы по итегрмъно-оттшеским лазерным излучательм, т.е. таким, которые либо могут быть составными частями оптических интегральных схем (часть I), либо сами представляют собой несколько функциональных элементов,, оптически интегрированных в одной структуре (часть II).

Актуальность теин обусловлена прежде всего ей связью с двумя важными направлениями физики и техники ПЛ:

а.получение ГШ с заданными спектральными свойзтвами, прежде всего, динамически одночастотных с узкой линией (для систем дальней волоконной связи, метрических систем, задач стандартизации);

б. улучшение и оптимизация динамических характеристик, в т.ч. генерация сверхкоротких импульсов (для скоростных линий оптической связи, метрических систем научного и технического назначения, в перспективе для задач ' оптической обработки информации и т.д.) и получение быстрых' переключений с высоким контрастом (для систем оптической обработки и передачи информации).

С чисто научной точки зрения существенно также, чго значительная часть диссертации посьятона теме сверхбыстрой йинамики лазеров с насыщающимся поглотителей. Важность тгкой системы как для физики лазеров, так и для теории динамических систем и синергетики отмечается рядом ведущих специалистов, указывалось [1], что "здесь могут встретиться исключительно разнообразные явления, которые ощ9 ждут своего исследователя"; дополнительные интересные особенности возникают за счёт специфики ШГ ю сравнению с лазерами других типов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

-впервые построена аналитическая теория одночастотного РОС-лазера с локализацией продольной модн на неодаородности волновода,

-впервые построена аналитическая модель оптических свойств полупроводниковой активной среды с произвольным по величине механическим напряжением в активном слое и проанализировано влияние механических деформаций на спектрально-поляризационные свойства лазерных излучателей, включая одночастотные,

- впервые предложена количественная модель физических свойств поглотителя, полученного путбм имплантации тяжёлых ионов, и проведён микроскопический расчбт, позволяющий определить фундаментальный предел быстродействия такого поглотителя,

- впервые предложено единое описание быстрой и сверхбыстрой динамики ПЛ с насыщающимся поглотителем на основе системы модифицированных скоростных уравнений для амплитуд и фаз мод,

- впервые проанализировано влияние нелинейности усиления произвольного типа на быструю • и сверхбыструю динамику ПЛ с насыщающимся поглотителем (НП).

- предложен и реализован новый подход к исследованию шумовых свойств лазера с пассивной модуляцией добротности (ЩЦ), использующий статистику генерируемых импульсор.

Практическое значение полученных в диссертации результатов сяределяется следующим. Работы по спектрально-поляризационным переключениям в РОС- лазерах с напряженным активным слоем (часть I диссертации) стимулировали ведущиеся в настоящее время работы по исследованию эф£екта поляр!, ационной Оистабильности в РОС-лазерах при комнатной температуре с целью создания быстрых ошоэлэктронных ключей. Работы по свойствам лазеров с нгчсищэвсцсмся поглотителем (часть II) внесли вклад в создание пикосекундных излучателей с рекордными параметрами, применяемых в отечественных приборах, и экспортируемых за рубеж.

Основные положения, выносимыа на защиту.

1. (о локализации продольной моды в брэгговском резонаторе)

Локализация продольной мода на неоднородности брэгговского волновода или сбое решетки обеспечивает динамическую одночастотность лазеров с РОС.

2 (о спектрально-поляризационных свойствах полупроводниковых лазеров с напряхёнкыл активным слоем)

В полупроводниковых РОС-лазерах с внутренними механическими деформациями в активном слое можно получить (при сканировании по спектру изменением температуры) одночастотную генерацию мода ТМ-поляризации в спектральном интервале, значительно превышающем ширину деформационного расщепления валентной зоны. Подбором спектрального положения . линии можно получить в таких лазерах поляризационное переключение при заданной температуре.

3. {об эффективном времени жизни в полупроводники с разделенными областям генерации и рекомбинации'носителей).

В полупроводнике с локальными амортизированными областями (АО), например, созданными имплантацией тяжЭлых ионов, фундаментальна предел эффективного Бремени рекомбинации определяется пролйтом носителей до АО и может составлять величину порядка единиц пикоевкунд при доле объбма АО порядка процентов от общего обь5ма вещества, ухудшающей оптических свойств вещества и позволямц&й использовать его в качестве быстрого эффективного нэскщьыщогосл поглотителя.

4. (об особенностях динамики инхекцианшх лалероЗ с бн^прим шышающимся поглотителем).

Уменьшение времени релаксации насыщающегося поглотителя вплоть ю некоторого критического значения порядки едизшц-десятков пикосекунд позволяет в несколько раз расшрить токовый дидлаззм режима пассивной модуляции добротности (ПМД), улучшать пареготси (амплитуду, длительность, частоту повторены) гвнер»рузм*(Т импульсов; уменьшение промен!« ралаксаиы пегую*! /толп!

критического сужает диг ¡газон ПМД, а затем полностью срывает этот роким.

Нелинейное усиление любой природы оказывает значительное воздействие на резкими ПМД и пассивной синхронизации мод в лазерах о быстрым насыщающимся поглотителем, сужая токовый диапазон обоих режимов и ограничивая максимально достижимую амплитуду ( а. для рэгама ПМД - и частоту повторения) и минимальную длительность импульсов света.

5. (о шумовых свойствах инжекционного лазера с пассивной ладц.1яцией добротности).

Случайный разброс параметров импульса в инжекционном лазере с ПМД мотет быть минимизирован при выборе значения тока накачки, заключенного в интервале от значения тока, оптимального по амплитуде и длительности импульса, до верхней границы области ПМД. '

Доклады и публикации; основнмэ результаты диссэртации докладывались на: V Всесоюзной конференции по полупроводниковым гетероструктурам, Калуга, 1990 г.; Советско-Американском Симпозиуме по полупроводниковым лазерам, Ленинград, 1991 г.; V Конференции по Интегральной оптике и оптоэлектронике (эюЕ'эг), Кардифф, Великобритании, 1992 г., и опубликованы в 10 работах.

Структура и объёк диссертации; работа состоит из введения, пяти глав (сведенных в две части), Заключения и Списка цитированной литературы из 102 работ, включает 37 рисунков. Всего 136 стр.

текста,

II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении дана общая характеристика диссертации; показана актуальность темы, поставлена цель исследования, изложены выносимые на защиту положения.

ПЕРВАЯ ЧАСТЬ (главы 1-11) диссертации посвящена анализу одночастогных полупроводниковых лазеров с распределбшгой обр"тной связью (РОС).

В главе I изложена теория явления локализации продольной моди на неоднородности в рее наторе лазера с РОС и рассмотрено его использование для обеспечения динамически одночастптной генерядии в лазерах с РОС.

В.§1.1 для иллюстрации сути явления локализации продольной моды рассматривается случай гофрированного волновода большой длины. В таком "бесконечном резонаторе" В' области локального изменения эффективного показателя преломления (обсуздаются и сравниваются различные эквивалентные способы достижения такого изменения; изложение ведбчоя на примере утолщения волновода) происходит изменение брэгговской частоты решйтки ыв и, соответственно, границ и>в±й (^-коэффициент обратной связи) брэгговской ¡цели (запрвщВнной полосы частот). Таким образом, световая полп;;, распространяющаяся в пределах утолщения, можот оказаться затухающей за его пределами, что приводит к появлению модн (мод.)., локализовашюй (-их) на утолщении Частоты этих мод ломку в области брэгговской щели. Получено аналитическое выражение для зависимости этих част т от приве ч9шюй величины утож'лшя А=вр/дб-М (р-волновой вектор света в волноводе, й и б^- топщипя волновода и е5 изменение в области утолщения). Показано, что одна локализованная мода существует при сколь угодно малом и дальнейшем с увеличенном Д мода возникают на верхнем круч, брэгговской щели, проходят через неЭ и исчезают нь нииюм кр:ш. Обсуждается влияние нерс-зкости крабв утолщения на спектр мод, отмечается возможность появления квазилокялипор.иишх мод г. случае

глубокого 'Д » k) утол' эния с нерезкими краями. Показано также, что разработанный подход описывает также и локализацию моды на сбое фазы гофрировки, который оказывается математически эквивалентным утолщению исчьзающе малой длины I, но с Л-и» (при том, что произведение Л■ I остаётся конечным и рьшо величине сбоя фазы АФ).

В §1.2 полученные в §1.1 результаты распр.>страняются на более реальный случай резонатора конечной длины, т.е. собственно РОС-лазера с утолщением. Выведено трансцендентное уравнение, описывающее спектр ччстот резонатора и соответствующих им потерь на выход, исследованы ряд его предельных случаев. Показано, что влияние утолщения максимально в случае сильной РОС (кЪ » 1, Ь-длина резонатора). При этом при величине утолщения Л•1~1 одна из мод резонатора сильно локализована, eö потери на выход исчезающе малы по сравнению с другими модами, а частота близка к центру щели. При умеренных величинах обратной связи (кЪ " 1 ) утолщение обеспечивает преимущество в потерях на выход порядка t •I для частично локализованной моды, т.е. при реальных значениях Д•Z~1 обеспечивается надёжная селекция одной моды, ведущая к одночастотной генерации, В параграфе также обсуждается и подтверждается численными оценками возможность частичной ¿втостабилизации одночастотной генерации относительно .явления выгорания пространственного провала, обусловленной усилением локализации моды из-за увеличения коэффициента преломления в области провала.

Глава II посвящена теоретическому анализу влияния скет]х^иъно-полярлзациошмх свойств длинноволновых лазеров на основе соединений ХпОаАвР на свойства одночастотного режима в таких приборах, а также особенностей межмодовых переключений в этих лазерах.

Данная глава построена на известной качественной концепции, согласно которой особенности поляризационных Ьгойств гетероструктур с активными слоями InGaAsF определяются

внутренними деформациями двуосного растяжения или сжатия в этих слоях из-за рассогласования постояш^х решётки. ДеАормэц: л приводят к снятию вырождения (деформационное расщепление) появлению анизотропии р спектрах сложной валентной зоны и, соответственно, в матричных элементах переходов с участием дырок, причём излучение из подзоны тяжЭлых дырок имвьт преимущественно ТЕ-поляризацию (в плоскости активного слоя), а из подзоны лёгких дырок - ТМ-поляризац-;ю (перпендикулярно этой плоскости).

В §2.1 изложена построенная на основе изложенных выше соображений расчЭтная модель поляризационно-заБига.-,1ЫХ спектров оптического усиления и спонтанной люминесценции объёмного акт! вногс слоя с механической деформацией произвольной величины.

Расчёт подтверждает качественный вывод о том, что влиянии деформации максимально на длинноволновом краю спектра, который формируется переходами с участием дырок с энергией в облает« деформации.шого расщепления, то есть в основном <, г в приближении отсутствия релаксационного уширения переходов- исключительно) из одной подзоны валентной зоны. При этом в случае деформации двуосного сжатия в плоскости гетероструктуры, когда потол ч валентной зонь сформирован подзоной тяжёлых дырок, преимущественно усиливается свет ТЕ-поляризации, а в случао деформации двуосного растяжении, когда верхней является подпоил лёгких дырок -ТМ-поляриз£>"ии. При энергиях фотона ш > (Е® - ширина запрещбнннил зоны с 'учётом деформации, д -дефорчациошгое расщь-пление вершины вялонтноЯ.

зоны) поляризационная селективность активней среда снижаемся за счёт подключения переходов из второй подзона, однако, как показывает расчёт, сохр 1яется во в 5м спектральном диапазон.? усиления, юнотонно спадая с ростом Ьи. Характерный сш-лтрмьний масштаб этого спадания в принятой модели переходоч с сохрани^¡'.¡¿м квазиимпульса есть Аетнн /тв и г^ - массы тяжёлых дыг'м ;;

электронов, соответственно). Т.". в реальных веществах мнехит^.чь тм/твх 1' то проводвнный расчёт объясняет нзблздавыупся экспериментально ТМ-генораци» в широком спектральном диапазоне.

й }2.2 разработ :шая в ¡>2.1 теория оптических свойств напряженной активной среды применена для предсказания спектрально-поляризэдаонных свойств лазера. Отмечено, что деформация двуосного сжатия, усиливая с лективность резонатора (выделяющего ТЕ-моду), приводит к поляризационной и спектральной стабильности излучения. Ь случав двуосного растяжения поляризация излучения определяется конкуренцией поляризационной селективности активной среда, (отношение усилений мод ) и резонатора ( отношение

потерь на выход д^/а^О: при С=5ТЕати/£тматв>1 осуществляется генерация ТЕ-моды, при £<1 -ТМ- моды. В реальных условиях изменение поляризационных свойств среды (параметра С) достигается изменением температуры. Значение температуры Г*,, соответствующее С=1, отвечает экспериментально наблюдаемому [2] переключению поляризации (с ТЕ на ТМ при охлаждении). Общими физическими механизмами уаеличения отношения вти/£ТЕ при охлаждении для лазеров всел типов являются:' увеличение внутреннего напряжения, усиление неравномерности заселенности подзон, коротковолновый сдвиг максимума лютн усиления. Для РОС-лазеров имеется также специ^ческий механизм РОС-спектроскопш (расширение запрещенной зоны с охлазвдением при фактически фиксированном абсолютном положении лазерной линии ' приводит к е9 смещению в сторону коротковолнового края линии усиления). Проведённый численный росчбт областей поляризационной стабильности (т.е. кривых Т*(Д )) показывает решающую роль этого эффекта; таким образом, используя полеченные результаты и варьируя при изготовлении лазера спектральное положение линии, можно получать ПЛ с заданными поляризационными свойствами, достигая как стабильной генерации св'»та любой из двух поляризаций, так и управляемых споктралъно-ггаляризационных переклггений.

ВТОРАЯ ЧАСТЬ (главг Ш-У) диссертации посвящена анализу динамики Ш с быстрым насыщающиеся поглотителем, оптически интегрированным внутри лазерного резонатора. В экспериментах группы интегральной оптики ОТ;! такой поглотитель создавался посредством • имплантации гра;ш (-оК) резонатора лазера тянб^ши ионами высоких энергий.

В Главе III изложена численная оценка быстродействия насыщающегося поглотителя, созданного ионной имплантацией. Считается, что имплантация приводит к созданию в матрице кристаллического вещества локальных аморфизировяшшх областей (АО), вытянутых вдоль треков имплантационных ионов, и эти области, в силу сплошного спектра разрешЗнных состояний, обладают свойством захватывать попадающие в них носители заряда. Время релаксации поглотителя при этом есть эффективное время жизни неравновесных носителей заряда (ннз) в . кристаллическом пространстве между АО относительно захвата на АО. Для его расчбта рассматривался режим стационарной генерации (например, световой), ннз в материале между АО характеризуемой постоянной скоростью G; время жизни определялось как отношение t = <N>/G , где <N>-средняя концентрация ннз в материале' ( факт>*чески совпадающая с концентрацией вдали от АО). В расчбте прол8т ннз между /О рассматривался микроскопически, по аналогии с теорией захвата носителей в плазме на зонды, а свойства самих АО {неполный захват) учитывались посредством феноменологических коэффициентов отражения падагацих на них электронов и дырок. В результате расчета было получено аналитическое выражение для т. В качестве нижней оценки этой величины естественно использовать частный случай этого выражения, отвечающий полному захвату носителей (нулевые коэффициенты отражения) и имеющий вид

12 / [ тЛинФ f(mh/me)], где а-эффективный радиус ЛЭ, которые считаются цилиндрами, вытянутыми вдоль треков (при учбте квантовых свойств носителей : ä добавляется поправка порядка тепловой длины , в~лны носителей), Ф-доза облучения (ион/сл2), и^-тклповая скорость медлешшх носителей (дырок), /-безразмерный коэффициент, учитывающий заряд, возникающий на АО за счЭт различи? эффективных масс, а следовательно, падающих на АО потоков, носителей: для GaAs /"2.5. Но порядку величину и ходу зависимости от дойы и температуры эта оценка согласуется с акзпедогонт&лмгики значения,да t !3], но несколько уступает им по пбоолютоой величине, что естественно для никрэй оцрккд.

Глава IV имеет методологический характер. В ней изложен теоретический подход к динамике ПЛ с насыщающимся поглотителем (Ш), имеющий целью описать в рамках единой модели вс9 многообразие режимов быстрой (на временных масштабах быстрее времени спонтанной рекомбинации носителей, но медленнее времени двойного прохода света в резонаторе и сверхбыстрой (на

временной шкале короче ) динамики лазера - прежде всего, режимы пассивной модуляции добротности (ПМД) й пассивной синхронизации мод (СМ). В главе развивается смешанный спектрально-временной подход к динамике лазера, состоящий в выводе и анализе системы лодифицировстниг скоростних уравнений для амплитуд Ек и фаз мод лазерного резонатора; при этом быстрые изменения световых полей описываются динамикой амплитуд мод, а сверхбыстрые- соотношением их фаз.

В 5 4.1 : выводится наиболее общая форма модифицированных скоростных уравнений для лазера с неоднородным продольным, профилем усиления и открытым резонатором. При разложении поля лазерного излучения по .(неортогональным) модам резонатора развивается предложенный ранее 14] для открытого однородного резонатора аппарат волнових функций эрмитовски сопряженного оператора (мод антилазера). Нелинейная поляризация на частоте каждой из мод учитывается в первом порядке теори. возмущений. Результатом является система уравнений

= Г/2>с{[(а-1) 8к(1)Нас) Еь + где Ок к мь - частоты мод пассивного и активного резонатора, и т) -фшзовый и групповой показатели преломления мода к, Г-коэффициент оптического ограничения, «и £ фактор уширения линжш и коэффициент усиления моды к, ас-коэффициент потерь моды в резонаторе черта над символом означает простое усреднение по длине. Нелинейна., добавка А^1 в самоЦ общей форме имеет Функциональный ьид, аналогичный известному для газовых лазеров из классических работ Лэмба [Б;:

Л'и= 4% У Х Е Е г е'^ь+^'^ь в

Ь *Хьз к,к2Ьз\% к3 1 2 3 г-в /иу^-к]^; коэффициенты нелинейного взаимодействия X для

ПЛ вычисляются с помощью продольных профилей (волновых функций) мод из оператора диэлектрической восприимчивости третьего порядка. Для более практического расчбта нелинейных явлений в }4.2 используется выполнение в ПЛ условия слабой дисперсии: l\jf?*.**Je \h ! lirt.ml* 8h, "=1.2... При этом выражение для упрощается:

2 [ fgb. CA + (^-V) Cm ®fc+m

m

где s=e,+le"-коэффициенты насыщения усиления, (^-показатели связи мод, описывающие явления многоволнового смешения за сч0т пульсаций заселбнности в лазере. Для показателей связи Gm выписываются выражения, включающие квазиравновесную составляющую (описывающую пульсации полной концентрации носителей) и неравновесную (пульсации глубины спектрального провала, температуры носителей и т.д.)

В $4.3 результаты предшествующей части главы 4 конкретизируются для' ПЛ, состоящего из нескольких продольных секций, часть из ко орых усиливающие, а часть может быть насыщающимися поглотителями. Расч8т проводится в кусочно-однородном приближении, т.е. в пределах каждого участка рассматриваются усреднбнные значения всех медленно меняющихся (т.е. не сверхбыстрых) величин {накачка, концентрация носителей и т.д.) ; при этом выражения для коэффициентов связи мод имеют вид:

о. = ( 2 У { 2 уW ^VW^Vt'

где (комплексная) величина зависит от физических свойстг

активной области в I-том участке и описыачет глубину и инерционность модуляции его оптических свойств на частоте пульсациям! интенсивности света за счбт оиений • мод, а геометрический фактор in(l) (существенно отличающийся от простого интеграла перекрытия) учитывает размер и положение учпстка. Получени выражения для е^ и.; из последних", в частности, следует, что для короткого участка в центре рсэоматорп коэффициенты in(l) с нечётными т содержат малость, т.е. при таком расположении участка НП, вызывающего СМ, вероятно соэоуадениэ каждой второй моды, что действительно наблюдается в эксперименте

(т.н. СМ на сталкивающихся импульсах).

В Главе V описано применение разработанного в предыдущей главе аппарата для анализа ряда практически важных случаев реализации ПМД и СМ в ШГ с НИ.

В §6.1-5.4 рассматривается режим НМД, причём решается задача анализа быстрой динамики лазера без рассмотрения его спектральных свойств. Для втого в §5.1 из модифицированных скоростных уравнений (СУ) для амплитуд мод получены' уравнения для полных интенсивностей света, а также для концентрации . носителей в секциях, лазера (усиливающей секции и насыщающемся поглотителе). Полученная система отличается от традиционных сосредоточенных СУ 16,7] учётом различия значений интенсивности света (концентрации фотонов) в секциях, благодаря чему, сохраняя простоту и наглядность обычных СУ, позволяет учесть геометрическое положение НД. Использовалась процедура анализа режима ПМД [6], включающая (1) расчёт, стационарных характеристик, (2) определение областей реализации режима ПМД посредством малосигнального анализа устойчивости и (3) расчёт параметров импульса путём численного решения исходных уравнений. В §5.1 сравниваются результаты такого анализа для различных геометрий поглотителя; показано, что режим ПМД наиболее чётко:выражен при расположении секций поглотителя у обоих зеркал розонмтора.

В §5.2 анал/шруются особенности Щ в ИЛ с быстрым НП. Расчёт границ области ПМД показывает,что уменьшение времени л релаксации НП (например, методом, изученным в Главе III) вплоть до некоторого оптимального значения порядла единиц-десятков пикосзкунд позволяет существенно расширить область токов накачки, обеспечив ющих режим ЩЦ, что, в свою очередь, позволяет достигнуть высоких мощностей импульса и частот повторения без срыва режима ПМД. Дальнейшее повышение быстродействия поглотителя нецелесообразно, т.к., повышая порог просветления поглотителя, тгриводит к умены.ению токового диапазона ПМД, а затем и к полному его 1!С,чо:<ноиччию. Численное интегрирование скоростных уравнений дзйт, что в пределах области ПМД частота следования импульсов

растет монотонно с ростом тока, а амплитуда 5 и длительность ти имеют точку оптимума (максимума в и минимума ти), а к крайм токового диапазона ПВД величина Э плавно спадает до нуля. Далее обсуждаются параметры активной, области лазера, определяющие характеристики тежима ПМД. Кроме уже известных ранее [7] параметров, весьма существенным (особенно в случае быстрого поглотителя) оказывается влияние нелинейного нзсыщония усиления, (не учитывавшегося ранее), которое существенно демпфирует пульсации, а в случае быстрого поглотителя фактически определяет границы области ПМД и достижимые параметры импульса. Важным ограничивающим фактором также оказывается безызлучатэльная (в' т.ч. Оже-) рекомбинация в активной области усиливающей части ПЛ.

В §5.3 описаны результаты оптимизации параметров и режимов накачки ПЛ с НП в реясчв генерации одиночного импульса (накачка короткими импульсами тока). Рассчитаны параметры излучаемого импульса света и допустимые амплитуда и длительности импульсов накачки, при которых световой импульс остается единственным, для случаев лазера с Ш и обычного ПЛ. Численный расчЗт показывает, что при наносекундных и достаточно интенсивных импульсах накачки применение лазера с НП позволяет достичь . лучших параметров импульса света (амплитуда и длительность) при сохранении его одиночности, однако быстрота поглотителя для данного режима менее важна, чем для обычного (квазистационарного) режима ПМД.

В §5.4 описаны результаты анализа влияния спонтанного излучения и шумов на свойства лазера с ПВД. Показано, что, увеличивая неоднородность распределения поля световой моды в лазере, налитое НП приводит к повышению т.н. фактора спонтанной эмиссии в моду р; из полученных.в Главе IV выражений для профилей продельных мод получены аналитические выражения для величины |Э. Для анализа шумовых: свойств лазера численно решаются скоростные уравнения §£¡.1, дополненные ланжэвеновским шумовым источником, и отроятся функции распределения для параметров имлульСа (амплитуде, длительность, период следования). Полученные распределений имеют' негауссовский вид с заметной асимметрией (более ■ вероятии

отклонения от средних значений в сторону высоких амплитуд и малых длительностей). Зависимость относительного разброса параметров от тока накачки немонотонна, с выраженным минимумом при токах, несколько превышающих значение, оптимальное по амплитуде и длительности импульсов. Это объясняется тем, что при таких токах импульсы ПМД ещ8 хорошо выражены, но глубина автомодуляции уже <1, что приводит к зарождению импульса не из шумового фона, а из нешумового пьедестала малой, но ненулевой амплитуды.

В 55.6 обсуждаются критерии режима СМ в ГШ с быстрым Ш. СМ как генерация сверхкоротких импульсов (атлтудно- модуляционная СМ) рассматривается как частный случай ст ционарной (с постоянными амплитудами и фазами мод Ет и фт) многомодовой генерации за сч8т нелинейной связи мод. Из рассмотрения уравнений Главы IV для случая трёх мод получено общее условие многомодовости такого рода, которое может быть выполнено и в отсутствие Ш. Роль НП в проведённом рассмотрении состоит, таким образом, в обеспечении амплитудно-модуляционного характера СМ, выражаемого соотношением (1 -фт>»Эс (в отличие от т.н. частотно-лодуляциошой СМ, отвечающей соотношению дф=тс); получен критерий реализации этого соотношения. Рассмотрены причины экспериментально наблюдаемой асимметрии спектра лазерной генерации в режиме СМ; показано,, что в рассматриваемой модели она может Сцть объяснена рефрактивными свойствами (явление фазовой автомодуляции) .усиливающей части лазера и НП.

В Заключении перечислены

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ:

Ряд эффективных методов обеспечения одночастотности в динамическом режиме в интегрально-оптических лазерах е РОС реализует в действительности общий фундаментальный физический механизм - локализацию полноводной моды на неоднородности орэггог жого волновода. Наиболее простая технологически реализация этого механизма- локальное изменение толщины/ширины волновода, подробно исследованное наш. Для лазеров С Вйсокодооротшм резонатором и при оптимальной толщине утолщения

частота локализованной мода близка к центру брэгговской щели и слабо зависит от параметров резонатора, а потери на выход много меньше потерь для остальных мод.

Наблюдавшиеся экспериментально спектрально-поляризационные свойства лазеров с внутренними деформациями описываются в разработанной микроскопической модели излучетельных переходов с сохранением квазиимпульса. Аномально широкий спектральный интервал генерают ТМ-моды связан со смешением состояний валентной зоны и распределением энергии перехода между лбгким электроном и тяжёлой дыркой и может превышать ширину. деформационного расщепления в ~ шкн/те раз. Определяющую роль в спектрально-поляризационнь.; свойствах РОС-лаэора, в отлйчие от лазера с- резонатором Фабри-Перо, играет положение линии в спектре усиления.

- В; полупроводнике с локальными аморфизированными областями фундаментальный предел эффективной скорости рекомбинации определяется пролетом носителей в кристаллическом пространство между заряженными аморфизированными областями и йожет составлять-величину порядка 1-10 пс при доле объёма аморфизированного вещества 0.0Т, не ухудшающей его оптических свойств, что позволяет использовать такой материал как эффективный быстродействующий насыщающийся поглотитель.

- Все явления быстрой и сверхбыстрой динамики ПЛ с насыщающимся - поглотителем, включая пассивную модуляцию добротности,

амплитудно-модуляционную (в т.ч. на сталкивающихся импульсах) и частотно-модуляционную синхронизацию мод, могут быть описаны в рамках единой модели модифицированных скоростных уравнений для амплитуд и фаз мод.

- Уменьшение времени релаксации на чщающегося поглотителя вплоть до некоторого критического значения порядка единиц-двсяткоо пикосекунд позволяет значительно улучшить параметры (амплитуду, длительность. частоту повторения) генерируемых импульсов НМЛ, причём в основном за счбт расширения токового диапазона режима 1Щ. Уменьшение времени жизни ниже критического приводит к сужению, а затем к резкому схлопывакию этого диапазона, В лазере

с эффективным и быстродействующим Ш важнейшим фактором, ограничивающим достижимые параметры импульса, являются эффекты нелинейного усиления.

- Шумовой разброс параметров импульсов ПМД велик при малых токах накачки и резко падает при величинах тока выше значения, соответствующего максимуму амплитуды, что связано с появлением у последовательности импульсов ПМД кешумового пьедестала.

- Токовый диапазон режима пассивной синхронизации мод в лазерах с быстрым НП зависит от рефрактивных свойств усиливающей части лазера и НП и сужается за счЭт эффектов нелинейного усиления.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1. Е.А.Аврутин, М.Э.Райх. Локализация продольных мод на неоднородностях в резонаторе с распределённой обратной связью. ЖГФ.1988, Т. 58, В.10, C.I924-I932.

2. Е.А.Аврутин, М.Е.Портной. Оценка времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике, облучённом тяжблыми ионами. ФТП, 1988.Т 22. В.8. C.I524-I526.

3. Е.А.Аврутин, М 4.Алексеев, В.И.Кучинский, А.С.Лазутка.' Поляризационные характеристики излучения РОС-лазера с деформированным активным слоем. ФТП, 1989, Т.23. В. 7. С. 1207-1213.

А. Е.А.Аврутин. О нелинейном взаимодействии мод полупроводникового лазера через самонавед8нную дифракционную решбтку. Письма в И'Ф, 1990. Т. 16, B.I0.C.64-67.

Ь. Е.А.Аврутин, В.В.Добрецов. Динамический разогрев неравновесных носителей заряда светом и аффекты нелинейного оптического усиления в полупроводниковых лазерных гетероструктурах. Тезисы докладов у Всесоюзной Конференции по физическим процессам в гетероструктурах, Калуга, 1990, Т.I, С 39-40.

6. E.I- Portnoi, Е.А. Avruuin, A.V.Chelnokov. Nonlinear Effects in Pioocuoond Hi£.'.-Power Diode Lasers. Proceedings of the Joint Sovlet-Areerioan Workshop on the Physios of Semiconductor Lasers, Mt>v-June ¡991. A'r.erioan Institute of Physios Conferpnoe

- 19 -

Proceedings, 240, NУ, ЮР. 1991, p.58-67.

7. Е.А.Аврутин, Е.Л.Портной, А.В.Челнесов. Влияние нелинейного усиления на характеристики режима модуляции добротности в полупроводниковых лазерах с быстрым насыщающимся поглотителем. Письма В ЖТФ, 1991, Т.17. B.II.C.49-52.

8. Е.А. Avrutln. Analysis of spontaneous emission and noise in self-pulsing semiconductor, lasers. IEE Prooeedings Pt. J (Optoelectronics), 1 9уЭ,V. 139, No. 1, P.16-20.

9. E.L.Portnoi, M.A.Golov. G.E.Shtengel, V.V.Dobretzov, E.A.Avrutln. ; 250Ghz Passive Mode Looking of Semioonduotor Injection Lasers. Programme and abstracts, "Semioonduotor & Integrated Optoeleotronioe" (SI0E*92) Conference,Cardiff, Wales, UK, Maroh-April 1992, ar 5.

10. E.A.Avrutln, Temperature Effeot on Polarisation Properties of Strained Aotive Layer Semioonduotor Lasers. Ibid., fl.aper 14.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Хакен Г. Лазерная светодинамика. М., 1988. 350 стр.

2. Калвндаришвили К.Г., Карпов С.Ю., Кучинский В.И., Мизеров М.Н., Портной Е.Л. .СмирницкиЛ В.Б. ЖТФ, '1983. Т.53. C.I5Ö0-67.

3. Журавлбв A.B., Марушак В.А., Портн^Ч Е.Л., Стедьмах K.M., Титков A.M. ФТП, 1988, Т.2?, В.2, С. 352-354.

4. .Hamel W.A., Woerdman J.P Phys. Rev. A., 1989. V. 40, P.. 2785- 791..

5. Lamb W.E. PUys. Rev., 1964, V.134. No. t, P. A1423-1450.

6. Ривлин Л.А., Сембнов А.Т., Якубович С.Д. Динамика и спектры излучения полупроводниках лазеров. М., 1993 , 207 стр.

7. Harder С., Lau K.Y. , Yariv А. . IEEE J. Quantum Electron.. , 1982, V. QK-18. No.9, P. 1351-1361.

РТП ПИЯФ, эак.710, тлр.ЮО, уч.-иэд.л.Т; I7/XI-I993r. Бесплатно