Генерация инжекционными лазерами ультракоротких импульсов и их взаимодействие с полупроводниками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Введение.

Глава 1 Особенности генерации оптических импульсов полупроводниковыми лазерами (современное состояние и обзор литературы).

1.1 Методы генерации ультракоротких оптических импульсов в полупроводниковых лазерах.

1.2 Взаимодействие оптических полей импульсов с полупроводниками.

Глава 2 Физические процессы при генерации ультракоротких оптических импульсов в полупроводниковых лазерах в режимах синхронизации мод.

2.1 Теория синхронизации мод в полупроводниковом лазере с внешним дисперсионным резонатором.

2.2 Активная синхронизация мод в лазерах с внешним резонатором.

2.3 Гибридная синхронизация мод.

2.4 Синхронизация мод сталкивающихся импульсов.

2.5 Пассивная синхронизация мод в лазерах без внешних резонаторов.

2.6 Монолитная многочастотная синхронизация мод в лазерах на 1пР/1пОаАзР.

Глава 3 Модуляция добротности в многосекционных лазерах.

3.1 Теория пассивной модуляции добротности в многосекционных лазерах.

3.2 Экспериментальные результаты в системе СаАз/АЮаАэ.

3.3 Принудительная синхронизация УКИ в режиме пассивной модуляции добротности.

3.4 Дисперсионная модуляция добротности в РОС лазерах на ЫРЯпОаЛвР.

Глава 4 Когерентные и кооперативные явления в полупроводниковых лазерных структурах.

4.1 Особенности некоторых когерентных явлений в полупроводниковых лазерах.

4.2 Условия возникновения импульсов сверхизлучения (СИ) в полупроводниках.

4.3 Временные характеристики импульсов СИ.

4.4 Когерентные свойства импульсов СИ.

4.5 Оптический дублет. Длинноволновый сдвиг импульсов СИ.

4.6 Обсуждение экспериментальных результатов. Обращение знака оптического поля.

Глава 5 Быстропротекающие нелинейно-оптические явления в полупроводниковых структурах.

5.1 Нелинейная рефракция в активных полупроводниковых средах в пикосекундной области и частотный сдвиг УКИ.

5.2 Комбинационное рассеяние и самофокусировка в активной среде пикосекундных полупроводниковых лазеров.

5.3 Двухфотонное поглощение ультракоротких импульсов в нелинейном полупроводниковом волноводе.

5.4 Наблюдение обращения волнового фронта в активной среде полупроводникового лазера.

Глава 6 Некоторые применения ультракоротких оптических импульсов, излучаемых полупроводниковыми лазерами.

6.1 Применения в волоконной оптике и системах передачи информации.

6.2 Применения в пикосекундной оптоэлектронике.

Практически на самой заре лазерной эры, после появления пионерских работ Н.Г.Басова, А.М.Прохорова и Ч.Таунса, а также после создания первых лазеров в начале 60-х годов, значительная часть исследований в области лазерной физики была направлена на получение оптических импульсов ультракороткой длительности. По мере неуклонного сокращения длительности генерируемых лазерами импульсов и поистине революционных преобразований в методах и устройствах регистрации быстропротекающих оптических явлений пико- и фемтосекундная лазерная техника становилась все более и более популярной. К настоящему времени она превратилась в обширную и едва ли не самую увлекательную область квантовой радиофизики.

Будучи в первую очередь исследовательским инструментом для изучения быстрых явлений в области физики, химии и биологии, лазерные системы, излучающие ультракороткие импульсы, предвещают создание нового поколения сверхбыстродействующих оптоэлектронных приборов. Эти системы имеют важное значение, поскольку быстродействие электронных приборов уже приближается к своему физическому пределу. Получение импульсов с длительностью в единицы пикосекунд сулит в перспективе возможность передачи информации в системах оптической связи с огромной скоростью (на уровне 100 Гб/с и более), а в конечном счете и создание оптических компьютеров.

Главными факторами, сдерживающими более широкое применение ультракоротких лазерных импульсов, являются стоимость лазерных излучателей и соответствующего измерительного оборудования, их сложность, большие габариты и высокое энергопотребление. Всеми этими недостатками обладают лазерные твердотельные системы, а также лазеры на красителях с накачкой от газовых лазеров. С другой стороны, известные преимущества полупроводниковых лазеров позволяют надеяться на преодоление этих трудностей по крайней мере в тех областях, где не требуются высокие уровни мощности импульсов. Разработка и исследование источника оптических импульсов пико- и фемтосекундной длительности на основе инжекционного лазера тем более актуальна, поскольку он является одним из немногих лазеров, совместимым с элементной базой интегральной оптики, волоконно-оптических линий связи и современных электронных приборов и устройств. Стоит отметить, что кроме термина "инжекционные лазеры" часто пользуются терминами "полупроводниковые лазеры" и "лазерные диоды".

К началу настоящей работы исследования в области генерации ультракоротких импульсов полупроводниковыми лазерами находились в зачаточном состоянии. Несмотря на высокий потенциал лазеров данного типа, параметры импульсов (длительность и пиковая мощность), излучаемых полупроводниковыми лазерами в то время, значительно уступали параметрам импульсов, генерируемых лазерами других типов, особенно твердотельных и лазеров на красителях. Для понимания физических процессов при генерации ультракоротких импульсов полупроводниковой лазерной средой требовались детальные и многосторонние исследования кинетики формирования импульсов, процессов взаимодействия оптического поля с ансамблем электронно-дырочных пар, а также определение предельно достижимых параметров излучаемых импульсов.

Целью настоящей работы являлось тщательное и многоплановое исследование всех возможных аспектов генерации оптических импульсов длительностью менее 10 пс в полупроводниковых лазерах и физических явлений при взаимодействии оптических полей таких импульсов с полупроводниковой средой, а именно: а) теоретическое и экспериментальное исследование наиболее перспективных методик генерации ультракоротких лазерных импульсов - синхронизации мод и модуляции добротности - в полупроводниковых лазерах; б) установление фундаментальных механизмов, обуславливающих предельно достижимые параметры импульсов; в) изучение когерентных, кооперативных и нелинейно-оптических явлений в полупроводниковых средах, сопровождающих генерацию мощных импульсов пико- и фемтосекундной длительности; г) исследование процессов взаимодействия нестационарных оптических полей с вырожденной электронно-дырочной плазмой высокой плотности в полупроводнике.

Научная новизна и практическая ценность работы обеспечивается тем, что в ней впервые всесторонне исследованы различные режимы генерации оптических импульсов длительностью менее 10 пс в полупроводниковых лазерах как в системах ОаАэ/АЮаАБ, так и 1пР/1пОаАзР, как с внешним резонатором, так и без внешнего резонатора. Развита теория генерации ультракоротких оптических импульсов в полупроводниковом лазере с внешним дисперсионным резонатором. Впервые исследован режим пассивной модуляции добротности в полупроводниковом лазере со сверхбыстрым восстановлением насыщающегося поглощения при приложении обратного смещения на полупроводниковую среду. Обнаружен и исследован ряд нелинейно-оптических явлений в активной среде полупроводникового лазера при генерации мощных пикосекундных импульсов с потоком мощности в диапазоне 108-109 Вт/см2. Впервые осуществлен режим кооперативной рекомбинации ансамбля электронно-дырочных пар в полупроводнике (режим сверхизлучения). Впервые наблюдался режим когерентного взаимодействия оптического поля с инвертированной полупроводниковой средой. На основе полученных физических результатов создан ряд практических генераторов ультракоротких импульсов с рекордными для этого типа лазерных систем параметрами импульсов. Их эффективность использования в пикосекундной оптоэлектронике, сверхбыстродействующей передаче информации и метрологии была практически продемонстрирована в ряде экспериментов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Список литературы для удобства разделен на две части, в первой из которых приведены публикации автора (ссылки с буквой "а" [1а-52а]), а во второй - остальная цитированная литература ([1-121]). В первой главе приведен обзор литературы по методам генерации ультракоротких оптических импульсов в полупроводниковых лазерах и их взаимодействию с полупроводниковой средой. Описано состояние исследований в данной области на момент начала работы автора.

Основные результаты, полученные автором и представленные в данной работе, заключаются в следующем:

1. Всесторонне, теоретически и экспериментально, исследованы различные методы генерации оптических импульсов пико- и субпикосекундной длительности полупроводниковыми лазерами в различных режимах синхронизации мод в диапазонах длин волн 850 и 1550 нм. Построена теоретическая модель, описывающая генерацию импульсов света при резонансной СВЧ накачке инжекционного лазера с внешним дисперсионным резонатором. Экспериментально получен ряд рекордных параметров (длительность, пиковая мощность и частота повторения) оптических импульсов, излучаемых полупроводниковыми лазерами.

2. Впервые в мире осуществлена синхронизация мод в полупроводниковом лазере без внешнего резонатора ("монолитная" синхронизация мод) и получены пикосекундные оптические импульсы с частотой повторения более 100 ГГц.

3. Впервые экспериментально доказано дополнительное сокращение длительности оптических импульсов при синхронизации мод сталкивающихся импульсов в полупроводниковых средах. Продемонстрировано, что при столкновении импульсов внутри насыщающегося поглотителя, сформированном в многосекционном лазере, их длительность дополнительно сокращается в 3,8 раз по сравнению с режимом пассивной синхронизации мод.

4. Впервые реализована активная синхронизация мод в полупроводниковом лазере с внешним дисперсионным резонатором и в многочастотном лазере с монолитным дисперсионным резонатором. В последнем случае, экспериментально продемонстрирована генерация УКИ длительностью около

13 пс на четырех независимых частотных каналах в диапазоне длин волн 1550 нм.

5. Построена теоретическая модель многосекционного лазера с пассивной модуляцией добротности с насыщающимся поглотителем со сверхбыстрым временем восстановления. Экспериментально получены рекордные по длительности, мощности и частоте повторения оптические импульсы в многосекционных лазерах с пассивной модуляцией добротности с насыщающимся поглотителем в диапазоне длин волн 850 нм. Впервые получена дисперсионная модуляция добротности в 3-х секционных лазерах с распределенной обратной связью в системе InP/InGaAsP.

6. Впервые осуществлен режим сверхизлучения (СИ) в полупроводниковой среде. Определены условия наблюдения режима СИ в полупроводниках, одним из которых, по-видимому, является подавление внутризонной фазовой релаксации сильным оптическим усилением на начальных этапах эволюции импульса СИ. Экспериментально доказано, что импульсы СИ в полупроводниках имеют фемтосекундную длительность, что является рекордно короткой среди процессов СИ, обнаруженных во всех известных средах. Впервые экспериментально обнаружено когерентное взаимодействие оптического поля с полупроводниковой активной средой, происходящее с изменением знака поля и появлением дублета в оптическом спектре.

7. Впервые экспериментально исследован ряд нестационарных нелинейно-оптических явлений в активной среде полупроводниковых лазеров. Измерен коэффициент нелинейной рефракции в GaAs в пикосекундной области. Обнаружен эффект самофокусировки и комбинационного рассеяния мощных пикосекундных импульсов в активной среде лазера. Впервые измерен коэффициент двухфотонного поглощения в нелинейном полупроводниковом волноводе с помощью пикосекундных импульсов, генерируемых полупроводниковым лазером.

8. Впервые экспериментально наблюдалось обращение волнового фронта в среде мощного полупроводникового лазера при "самонакачке" в геометрии внешнего резонатора.

9. Впервые экспериментально получена эффективная генерация пикосекундных электрических импульсов с длительностью фронта около 6 пс и амплитудой более 3 В с помощью ультракоротких оптических импульсов, излучаемых полупроводниковыми лазерами.

10. Продемонстрировано эффективное усиление ультракоротких оптических импульсов, излучаемых полупроводниковыми лазерами с модуляцией добротности, в Тт:гВЬАК волокнах при диодной накачке. Впервые продемонстрировано кодирование информации в полупроводниковых лазерах с модуляцией добротности со скоростями до 2 Гбит/с.

Таким образом, можно констатировать, что в данной работе заложены физические основы генерации импульсов пико- и субпикосекундной длительности в полупроводниковых лазерах в различных режимах генерации, а также динамики их взаимодействия с активной лазерной средой.

Заключение

1. Н.Г.Басов, УФН, 1965, т. 85, N 4, с. 585.

2. В.Д.Курносов, В.И.Магаляс, А.А.Плешков, Л.А.Ривлин, В.Г.Трухан, В.В.Цветков, Письма в ЖЭТФ, 1966, т. 4, с. 449.

3. Н.Г.Басов, В.Н.Морозов, В.В.Никитин, А.С.Семенов, ФТП, 1967, т. 1, с. 1570.

4. Ю.А.Дрожбин, Ю.П.Захаров, В.В.Никитин, А.С.Семенов, В.Я.Яковлев, Письма в ЖЭТФ, 1967, т. 5, с. 180.

5. А.С.Семенов, "Исследование динамики излучения полупроводниковых инжекционных лазеров на арсениде галлия", Дисс. на соискание ученой степени к.ф.-м.н., ФИАН, 1970

6. Н.Г.Басов, В.В.Никитин, А.С.Семенов, УФН, 1969, т. 97, N 4, с. 561.

7. В.Н.Морозов, В.В.Никитин, А.А.Шеронов, Письма в ЖЭТФ, 1968, т. 7, с. 327.

8. E.P.Harris, J. Applied Physics, 42,1971, 892.

9. Но, P.T., et al, Applied Physics Letters, 33, 1978, 241.

10. Tucker, R.S., Journal of Lightwave Technology, 3, 1985, 1180.

11. Lau, K.Y., Journal of Lightwave Technology, 7,1989, 400.

12. AuYeung, J., Applied Physics Letters, 38, 1981, 308.

13. Aspin, G.J., Carroll, J.E., and Plumb, R .G., Applied Physics Letters, 39, 1981, 860.

14. Bimberg, D. et al, Electronics Letters, 20, 1984, 343.

15. Gobel et al, J. Applied Physics, 56,1984, 862.

16. Lin, C. and Bowers, J.E., Electronics Letters, 21,1985,1200.

17. Morton, P.A., et al, Electronics Letters, 28,1992,2156.

18. Onodera, N., Ito, H., and Inaba, H., Applied Physics Letters, 45,1984, 843.

19. Yamanishi, M. et al., Jap. J. Applied Physics, 17,1978, 359.

20. Tsang, D.Z. and Walpole, J.N., IEEE J. of Quantum Electronics, 19, 1983, 145.

21. Arakawa, Y., et al, A., Applied Physics Letters, 48,1986, 561.

22. Kitayama, K. and Wang, S., Applied Physics Letters, 44, 1984, 571.

23. Koch, T.L., Wilt, D.P., and Yariv, A., in: Picosecond Phenomena II, Hochstrasser, R.M., Kaiser, W., and Shank, C.V., Eds, Berlin, Springer-Verlag, 1980, p. 34.24. van der Ziel, J.P. and Mikulyak, R. J. Applied Physics, 51,1980, 3033.

24. Ho, P.-T., Electronics Letters, 15,1979, 526.

25. Е.В.Андреева и др., Квантовая электроника, 1999, принята к публикации.

26. Van der Ziel, J.P., Journal of Applied Physics, 52, 1981,4435.

27. Eisenstein, G., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 22, 1986, 142.

28. Chen, J., Sibbett, W., and Vukusic, J., Electronics Letters, 18, 1982, 426.

29. Van der Ziel, J.P., et al, Applied Physics Letters, 39, 1981, 525.

30. Ж.И.Алферов и др., Письма в ЖТФ, 1986, т. 12, с. 1093.

31. Harder, С., et al, Applied Physics Letters, 42, 1983, 772.

32. Stallard, W.A. and Bradley, D.J., Applied Physics Letters, 42,1983, 626.

33. Ippen, E.P. et al, Applied Physics Letters, 37,1980, 267.

34. Fork, R.L., Green, B.I., and Shank, C.V., Applied Physics Letters, 38, 1981, 671.

35. Van der Ziel, J.P., et al, Applied Physics Letters, 39,1981, 867.

36. Arahira, S., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 32, 1996, 1211.

37. Van der Ziel, J.P. and Logan, R.A., IEEE J. of Quantum Electronics, 19,1983,164.

38. С.А.Ахманов, В.А.Выслоух, А.С.Чиркин, Оптика фемтосекундных лазерных импульсов, М: Наука, 1988.

39. Л.Аллен, Дж. Эберли, Оптический резонанс и двухуровневые атомы,- М: Мир, 1978.

40. И.А.Полуэктов, Ю.М.Попов, В.С.Ройтберг, УФН, 1974, т. 114, N 1, с. 97.

41. В.С.Днепровский, Взаимодействие коротких и ультракоротких мощных импульсов света с полупроводниками, Дисс. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, Физ. Фак. МГУ им. М.В.Ломоносова, М., 1978.

42. И.А.Полуэктов, Теория распространения мощных импульсов света через среды в условиях когерентного резонансного взаимодействия, Дисс. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, ФИАН, М., 1981.

43. В.И. Молочев и др., Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 19, с. 747.

44. Oudar, J.L. et al, Physical Review Letters, 55,1985, 2074.

45. Knox, W.H. et al, Physical Review Letters, 56,1986,1191.

46. Gobel, E.O. et al, Physical Review Letters, 64,1990,1801.

47. Becker, P.C. et al, Physical Review Letters, 61,1988,1647.

48. Fluegel, B. et al, Physical Review Letters, 59,1987,2588.

49. Joffe, M. et al, Optics Letters, 13, 1988, 276.

50. Redfield, A.G., Physical Review, 98, 1955,1797.

51. Sziklas, E.A, Physical Review, 188, 1969, 700.

52. Э.Г.Пестов, С.С.Раутиан, ЖЭТФ, 1973, т. 64, с. 2032.

53. В.Ф.Елесин, ЖЭТФ, 1975, т. 69, с. 572.

54. DeVoe, R.G. and Brewer, R.G., Physical Review Letters, 50, 1983, 1269.

55. Szabo, A. et al, in: Coherence and Quantum Optics VI, ed. J.H.Eberly et al., Plenum Press, N.Y., 1990, p. 1131.

56. В.М.Галицкий и В.Ф.Елесин, Резонансное взаимодействие электромагнитных полей с полупроводниками,- М: Энергоатомиздат, 1986.

57. Э.А.Маныкин и М.Н.Белов, ЖЭТФ, 1991, т. 100, вып. 8, с. 678.

58. Ф.Брюкнер и др., ЖЭТФ, 1974, т. 67, с. 2219.

59. Dudley, J., et al, Optics Letters, 15,1990, 335.

60. Harvey, J.D., et al, Optics Letters, 19, 1994, 972.

61. Dicke, R.H., Physical Review, 93, 1954, 99.

62. Skribanowitz, N., Physical Review Letters, 30, 1973, 309.

63. А.В.Андреев, УФН, 1990, т. 160, N 12, с. 1.

64. В.В.Железняков и др., УФН, 1989, т. 159, с. 193.

65. Belyanin, A.A., et al, Quantum & Semiclassical Optics, 9, 1997, 1.

66. А.А.Белянин и др., Известия АН, Сер. Физическая, 1998, т. 62, N 2, с. 372.

67. Haus, Н., J. Applied Physics, 51, 1980, 4042.

68. Kuizenga, D.J. and Siegman, A.E., IEEE Journal of Quantum Electronics, 6, 1970, 694.

69. Л.А.Ривлин, А.Т.Семенов, Якубович, С.Д., Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров, М: Радио и связь, 1983.

70. П.Г.Елисеев, Введение в физику инжекционных лазеров, М.: Наука, 1983.

71. Dixon, R.W. and Joyce, W.B., IEEE Journal of Quantum Electronics, 15, 1979, 470.

72. Haus, H., IEEE Journal of Quantum Electronics, 11,1975, 323.

73. Haus, H., IEEE Journal of Quantum Electronics, 11,1975, 736.

74. П.Г.Крюков, В.С.Летохов, УФЕ, 1969, т. 99, с. 169.

75. Haus, H., Ho, P.-T., IEEE Journal of Quantum Electronics, 15, 1979,1258.

76. AuYeung, J., IEEE Journal of Quantum Electronics, 17, 1981, 398.

77. New, G.H.C., Reports on Progress in Physics, 46, 1983, N 8, 877.

78. Holbrook, M.B. et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 17,1981, 658.

79. Д.Дж.Брэдли, Дж.Нью, ТИИЭР, 1974, т. 62, N 3, с. 31.

80. Сверхкороткие световые импульсы, под. ред. С.Шапиро, М., Мир, 1981.

81. Stryland Е. W. Van., Optics Communications, 31,1979, N 6, 93.

82. И.С.Голдобин и др., Квантовая электроника, 1983, т. 10, N 7, с. 1332.

83. В.Дитель и др., Квантовая электроника, 1983, т. 10, N 1, с. 79.

84. Ж.-К.Дилс и др., Квантовая электроника, 1983, т. 10, N 12, с. 2398.

85. Harder, С. et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 18,1982, 1351.

86. Harth, W„ Optica Acta, 32, 1985, 1145.

87. Henry, C.H., Journal of Applied Physics, 51,1980, 3051.

88. Icsevgi, A. and Lamb, W.E., Physical Review, 186,1969, 517.

89. Morton, P.A., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 25,1989, 2621.

90. Willatzen et al., IEEE Photonics Technology Letters, 3, 1991, 606.92. von der Linde, D., Applied Physics, B39, 1986, 201.

91. Leep, D.A. and Holm, D.A, Applied Physics Letters, 60,1992,2451.

92. White I.H., et al, Electronics Letters, 28,1992, 1257.

93. Mohrle, M., et al, IEEE Photonics Technology Letters, 4, 1992, 976.

94. Sartorious, В., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 33,1997,211.

95. Yu, S.F., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 30, 1994, 1740.

96. Schuurmans M.F.H., et al., Advances in Atomic and Molecular Physics, 17, 1981, 167.

97. Maki J.J., Malcuit M.S., Raymer M.G., Boyd R.W., Physical Review A, 40,1989, 5135.

98. Bolda E.L., Chiao Y., Garrison J.C., Physical Review A, 52,1995, 3308.

99. MacGillivray J.C., Feld M.S., Physical Review, 14,1976, 1169.

100. Kutt, W.A, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, 28, 1992, 2434.

101. Kuznetsov, A.V. and Stanton, C.J., Physical Review В, 51, 1995, 7555.

102. Sha, W., et al., Physical Review Letters, 74,1995, 4273.

103. Vasconcellos, A.R., et al., Physical Review B, 52, 1995, 5021.

104. Cho, G.C., et al., Physical Review Letters, 77, 1996,4062.

105. Dudley, J.M. and Harvey, J.D., Optics Communications, 82, N 5-6,1991, 517.

106. MacGillivray J.C., Feld M.S., Physical Review, 23, 1981, 1334.

107. Елисеев, П.Г., Богатов, А.П., Труды ФИАН, 166, 1986, 15.

108. Богатов А.П., "Нелинейная рефракция в полупроводниковых лазерах и её влияние на излучательные характеристики", Дисс. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, ФИАН, М., 1994.

109. Елисеев, Квантовая электроника, 6, 1979,2243.

110. Hakki, W.B. and Paoli, T.L., Journal of Applied Physics, 46,1975, 1299.

111. Nakatsuka, H., Grischkovsky, D., Balant, A.C., Physical Review Letters, 47, 1981, 910.

112. М.Б.Виноградова,О.В.Руденко,А.П.Сухоруков. Теория волн. М.: Наука, 1979.

113. Н. Бломберген, УФН, 97, 1969, вып. 2, 307.

114. Blakemore, J. S., Journal of Applied Physics, 53,1982, 123.

115. Pinczuk, A., et al, Physical Review Letters, 47, 1981,1487.

116. Wherrett, B.S., J Opt. Soc. Am. В, 1, 1984, 67.

117. Kurz, P., et al, Applied Physics Letters, 68,1996,1180.

118. Б.Я.Зельдович, Н.Ф.Пилипецкий, В.ВШкунов. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985.

119. Auston, D.M., Applied Physics Letters, 26, 1975, 101.

120. Picosecond optoelectronic devices, ed. by C.H. Lee, Orlando: Acad. Press, 1984.