Инжекционные лазеры с гибридным резонатором на волоконной брэгговской решетке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ ПРИ ИНСТИТУТЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. A.M. Прохорова

На правах рукописи УДК 535.8:621.372.8.001.5

Гладышев Алексей Вячеславович

ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ С ГИБРИДНЫМ РЕЗОНАТОРОМ НА ВОЛОКОННОЙ БРЭГГОВСКОЙ

РЕШЕТКЕ

Специальность 01.04.21 - «Лазерная физика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в (Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Беловолов Михаил Иванович, кандидат физико-математических наук

Сычугов Владимир Александрович, доктор физико-математических наук, профессор

Величанский Владимир Леонидович, кандидат физико-математических наук

Ведущая организация:

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится «_»

2005 г. в

часов на заседании

диссертационного совета Д 002.063.03 в ИОФ им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ им. A.M. Прохорова РАН

Автореферат разослан «_»__2005 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Воляк Т. Б.

ieoi-'f ¿5/ra

$969

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одной из важнейших задач для мнсгих практических и научных применений инжекционных лазеров является проблема получения одночастотного режима генерации и возможность управления этим режимом. Именно одночастотный режим является необходимым условием для таких применений, как интерференционные датчики различных физических величин, системы оптической связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектроскопия молекул и т./,.

Существует несколько методов обеспечения одночастотной генерации в инжекционных лазерах. Среди них следует особо выделить метод, основанный на использовании брэгговской решетки показателя преломления, записанной в одномодовом волоконном световоде, в качестве зеркала во внеияем резонаторе. При простоте реализации по сравнению с другими методами, в таком подходе сочетаются преимущества инжекционных лазероз и волоконных брэгговских решеток, а именно:

• компактные размеры,

• простота модуляции током накачки,

• высокая спектральная селективность,

• естественное сопряжение с волоконно-оптическими технологиями.

Лазерные диоды с волоконной брэгговской решеткой (ЛД с ВБР) во

внешнем резонаторе изучаются с середины 80-х годов. К настоящему времени известно, что в таких лазерах реализуется одночастотный режим с узкой (6v»l кГц) линией генерации. Продемонстрировано стабилизирующее влияние волоконной решетки на длину волны генерации лазера. В последние годы проводятся интенсивные исследования ЛД с ВБР ввиду перспективы их нрименения в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом решаются задачи удержания длины волны генерации в жестко заданных спектральных интервалах (АХ = 4 А), отведенных под каналы передачи данных в DWDM-системах связи.

В то же время, остаются недостаточно изученными некоторые вопросы, представляющие интерес как с научной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Необходимо отметить, что на сегодняшний день не проводилось целенаправленных исследований лазе^ ^di^uH^KijtnrrgjTa^!» на

предает получения одночастотного режима генерации, непрерывно перестраиваемого током накачки в достаточно широком (более 30 ГГц) частотном диапазоне. Вопросы, связанные с перестройкой частоты генерации в те!гние импульса накачки (чирп частоты), если и обсуждаются, то только как и ^желательный эффект, который должен быть сведен к минимуму. Между тем, создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволило бы говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность применять такие лазеры в молекулярной спектроскопии, системах детектирования отдельных газов и т.д.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является исследование когерентных свойств и перестроечных характеристик инж1;кционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской рецкггке.

Научная новизна и практическая ценность работы. Впервые с высоким спектральным разрешением (до ~1 кГц) исследованы когерентные и перестроечные характеристики диодных лазеров с волоконной брэгтовской реш(Ггкой во внешнем резонаторе, при длинах резонатора ~1см. Обнаружена периодическая зависимость мощности генерации от температуры и указаны темгературные интервалы, в которых реализуется одночастотный режим генерации с узкой линией 5у=10+100 кГц. Показано, что диапазон непрерывной перестройки таких ЛД с ВБР составляет 100-?200, МГц, а скорость перестройки частоты током накачки составляет 1+10 МГц/мА. На зависимостях частоты генерации от тока накачки обнаружена точка возврата, в которой скорость перестройки <М<И меняет знак.

Предложен и впервые реализован новый подход к созданию -одночастотных ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых током накачки в широком (>30 ГГц) спектральном диапазоне. Подход заключается в использовании волоконных брэгтовских решеток с широким спектром отражения (3-5-10 А) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлена до остагэчного коэффициента отражения 11=1-5-2%. Показано, что при использовании волоконных брэгтовских решеток с коэффициентом отражения 10-50% и лазерных чипов (ГпОаАБРЯпР) с длиной резонатора 200+350 мкм,

мощность генерации на волоконном выходе составляет -1-5-5 мВт, а ширина спектральных линий не превышает 15 МГц.

Используя предложенный подход, впервые созданы перестраиваемые током накачки одночастотные инжекционные лазеры с гибридным резонатором, обладающие непрерывной перестройкой частоты генерации в диапазоне шириной 35*40 ГТц. С помощью созданных лазеров проведена регистрация отдельных линий поглощения аммиака (Х= 1,5225 мкм) и метана (А.=1,645 мкм). Предложенный подход применим для создания лазеров для регистрации любых газов, имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (0,7*1,7 мкм). Для практических приложений, требующих регистрации отдельных линий поглоще ния, разработанные в данной диссертации лазеры могут составить конкуренцию распространенным в настоящее время РОС-лазерам.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В гибридных лазерах с длиной резонатора « 1 см реализ>ется одночастотный режим с шириной линии генерации 10*100 кГц и диапазоном непрерывной перестройки частоты током накачки 100 - 200 МГц.

2. Мощность генерации гибридных лазеров при постоянном токе накачки имеет периодическую зависимость от температуры Р=Р(Т), и одночастотный режим генерации наблюдается при температурах соответствующих участкам dP/dT< 0 на зависимостях Р(Т).

3. В одночастотном режиме генерации гибридных лазеров с просветленной до R.2 < 0,005 передней гранью на зависимостях частоты генерации от тока накачки наблюдается точка возврата частоты, в которой скорость перестройки dv/dJH меняет знак, а значение скорости перестройки частоты в области точки возврата составляет 1*10 МГц/мА.

4. Использование волоконных брэгговских решеток с широким спектром отражения (3*10 А) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлеь а до остаточного коэффициента отражения R=0,01*0,02, позволяет созывать одночастотные лазеры, непрерывно перестраиваемые током накачки в

широком диапазоне по частоте (>30 ГТц). Такие лазеры могут быть созданы на любую длину волны, попадающую в область прозрачности волоконных световодов (0,7*1,7 мкм) и позволяют проводить регистрацию отдельных линий поглощения различных газов.

Публикация и апробация работы. Материалы диссертационной работы отражены в 10 публикациях и докладывались на Научно-практической конкуренции «Оптические сети связи в России: наука и практика» (апрель 2002 г., г.Москва), на международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (июнь 2003 г., г.С-Петербург), на международной конференции по диодной лазерной спектроскопии «ТОЬ8-2003» (июль 2003 г., г.Зерматт, Швейцария), на общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (октябрь 2003 г. и октябрь 2004 г., г.Москва).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 124 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 54 наименований, иллюстрируется 39 рисунками и содержит 2 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы ее научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены выносимые на защиту основные результаты работы.

В первой главе дан обзор литературы по инжекционным лазерам с волоконной решеткой во внешнем резонаторе. Обсуждаются особенности конструкции резонатора ЛД с ВБР и основные физические представления об услс Е.иях и особенностях работы таких лазеров. В этой главе также приводится сравнительный анализ методов получения одночастотного непрерывно перестраиваемого режима генерации в инжекционных лазерах. Подробно описаны основные идеи по созданию лазеров с волоконными брэгговскими решгтками в составном резонаторе, проведены теоретические оценки области значений остаточного коэффициента отражения Я2, указаны возможные области применения таких лазеров. Рассмотрены основные теоретические представления о ширине линии генерации и влияющих на нее факторов.

Вторая глава посвящена описанию элементной базы, приборов и экспериментальных установок, использованных при исследовании инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке Описаны особенности конструкции промышленно изготовленных образцов лазеров (рис.1), а также приведены характеристики лазерных чипов и брэгтовских решеток, которые применялись при разработке и создании новых лазеров, обладающих расширенным диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации Активными элементами диодных лазеров, излучающих на длинах волн около 1,31 мкм , 1,56 мкм и 1,65 мкм, являлись мезаполосковые гетероструктуры на основе МЗаАвРЯпР, содержащие несколько квантовых ям, с простым резонатором типа Фабри-Перо.

Рис.1. Типичная конструкция инжекционных лазеров с гибридным

резонатором на волоконной брэгговской решетке.

В параграфе 2.3 описывается экспер -шентальная установка, созданная на базе волоконного интерферометра Маха-Цендера, которая дает возможность измерять ширину линии генерации, исследовать перестройку длины волны генерации током накачки и температурой, снимать зависимости мощности генерации от температуры и тока накаччи. В том же параграфе подробно рассмотрена методика исследований коггрентных и перестроечных свойств лазеров и показано, что волоконно-оптическая методика на основе интерферометра Маха-Цендера позволяет получать обширную информацию о когерентных и перестроечных свойствах лазеров, обладает уникальными физическими возможностями по спектральному разрешению, а сама аппаратура является простой и не требует применения дорогостоящих высокочастотных приборов, как это имеет место в случае автогетеродинного метода измерения узких линий генерации. Более детально вопрос о спектральном разрешении данной экспериментальной установки рассматривается в нарафафе 2.4.

1*1 К2 Из

3,

ЛД ВБР

Рис.2. Микролинзы на торце волоконного световода, изготовленные в данной работе. Снимки получены на электронном микроскопе

В параграфе 2.6 описана установка и методика изготовления микролинз с требуемым радиусом кривизны на торцах волоконных световодов, используемых для оптического согласования с волноводной структурой инжекционных лазеров. Приведены усовершенствования, внесенные автором в установку, которые дали возможность создавать гарантированно симметричные микролинзы (рис.2) с радиусом кривизны от 5 до 50 мкм, позволяющие вводить в одномодовый световод около 30% излучения полупроводниковых лазерных чипов

В третьей главе приведены результаты исследований когерентных свойств и перестроечных характеристик промышленно выпускаемых инжекционных лазеров на основе ТпОаАвРЛпР (X = 1,31 мкм и X = 1,56 мкм) с волоконной брэгговской решеткой, передняя грань которых имела просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения Я2<0,005 Обсуждаются условия возникновения одночастотного режима с узкой линией генерации, и проводится сравнгние измеренной ширины линии с теоретическими оценками. Представлены результаты исследований зависимостей мощности генерации от температуры при различных токах накачки. Значительное внимание уделено особенностям перестройки частоты генерации током накачки.

Мощность генерации исследованных лазеров имеет периодическую зависимость от температуры (Рис.3). Такое поведение зависимости Р(Т) можно объяснить влиянием собственного резонатора лазерного диода. Изменение температуры приводит к смещению мод Фабри-Перо собственного резонатора,

р,

мВт 1

ч. - N

16

20

Д„=110мА

24

Т, 0 С

Рис.3. Экспериментальные зависимости мощности генерации от температуры для лазера на основе 1пСаАаР/1пР с ВБР №007 на 1,56 мкм.

в то время как волоконная решетка в виду её высокой температурной стабильности практически сохраняет своё спектральное положение. Максимумы зависимости Р(Т) должны наблюдаться тогда, когда минимален порог генерации, т.е. при совпадении одной из мод собственного резонатора с брэгтовской длиной волны волоконной решетки. Поскольку переход к соседнему по температурной шкале максимуму должен соответствовать перестройке длины волны генерации на один межмодовый интервал собственного резонатора диода, из зависимости мощности генерации от температуры можно оценить скорость температурной перестройки мод собственного резонатора. Период зависимостей Р(Т) составлял ДТ ~ 5 °С, а спектральный интервал между модами собственного резонатора диода АХ « 5,2 А, таким образом скорость температурной перестройки, найденная по экспериментальным данным, оказалась равной сШУТ « 1 А/°С, что является характерным значением для инжекционных лазеров в системе 1пОаА$Р.

Спектральный состав излучения также изменялся с периодом по температуре ЛТ«5 °С. Исследования спектров генерации с разрешением 51=1 А показали, что одночастотный реж» м генерации наблюдается при температурах, соответствующих участку <№/<1Т < 0 на зависимостях Р(Т). В максимумах мощности контур линии был заметно искажен, а в минимумах Р(Т) генерация происходила на двух частотах.

В параграфе 3.3 описываются исследования когерентных свойств ЛД с ВБР в одночастотном режиме с помощью волоконно-интерферометрической методики, при этом разность длин плеч волоконного интерферометра Маха-Цендера изменялась от 10 м до 10 км. Ширина линии генерации исследованных лазеров составляла 10*100 кГц (рис.4а), что согласуется с теоретическими оценками.

Рис.4, а) Зависимость ширины пиьии генерации Av для лазера №007 на 1,56 мкм от безразмерного параметра JJ(JH-J„), пропорционального обратной мощности генерации F1. б) Характер непрерывной перестройки частоты dv в области одночастотного режима генерации с узкой линией у лазера №007.

В этом же параграфе пэедставлены результаты исследований перестройки частоты генерации то<ом накачки. В режиме с узкой линией генерации выявлено наличие точки возврата В (рис.4б), в которой скорость перестройки меняет знак. Обнаружено, что скорости перестройки существенно различаются в областях изменения тока накачки справа и слева от точки В. До точки возврата в диапазоне 70 - 120 мА скорость перестройки составляет dv/dJ„ =1-2 МГц/мА, а от 130 до 140 мА скорость перестройки составляет dv/dJH ~ 10 МГц/мА. Характер перестройки частоты, показанный на рис.4б, является типичным для гибридных лазеров с ВБР, имеющей спектр отражения решетки шириной 1 - 2 А. Полученные значения скорости перестройки dv/dJ„ в диапазоне 1+10 МГц/мА на 2ч-3 порядка ниже аналогичного параметра широко используемых сейчас РОС-лазеров и свидетельствуют о повышенной стабильности частоты генерации в одночастотном режиме, что представляет значительный интерес для создания высокочувствительных датчиков физических воздействий на волоконных интерферометрах.

В четвертой главе изложены результаты исследований по разработке и созданию одночастотных диодных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке, обладающих широким диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. В контексте данной работы

широким считается диапазон перестройки превышающий 30 ГГц (1 см"1). Выбор такого критерия обусловлен тем, что создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволяет говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность прописывать отдельные спектральные линии и применять такие лазеры в молекулярной спектроскопии, датчиковых системах детектирования отдельных газов и т.д.

Предварительные эксперименты, описываемые в параграфе1 4.1, позволили сделать вывод, что для достижения одночастотного режима генерации, перестраиваемого током накачки в широком спектрат ьном диапазоне, суммарная оптическая длина гибридного резонатора должна быть как можно меньше. Принципиальным ограничением на ширину диашзона непрерывной перестройки частоты является спектральный интервал между соседними продольными модами гибридного резонатора, и в данной работе верхнее ограничение на достижимый диапазон перестройки составляет Ау « 50 ГГц, что обусловлено использованием резонаторов с минимальной оптической длиной Ь » 3 мм.

В параграфе 4.2 описывается создание и исследование перестраивае мого одночастотного ЛД с ВБР, предназначенного для регистрации конкретной линий поглощения метана, в качестве которой была выбрана линия Я7 полосы поглощения 2у3, имеющая длину волны в максимуме поглощения около 1645 нм (6077,0 см'1). Используя лазерный диод длиной 200 мкм с коэффициентом отражения передней грани 0,02 и волоконную решетку с шириной спектра отражения 9 А и коэффициентом отражения на брэгговской длине вэлны 11=0,5, удалось получить одночастотный режим генерации, непрерывно перестраиваемый током накачки по частоте в диапазоне шириной 35 ГГц. Степень подавления боковых мод составила около 20 дБ, а мощность генерации равнялась 200 мкВт на выходе одномодового волокна.

С помощью созданного перестраиваемого лазерного модуля была экспериментально зарегистрирована линия поглощения Я7 (рис.5а). Более глубокий контур соответствует кювете, содержавшей чистый метан под давлением Р!=1 атм. Второй контур линии поглощения был прописан с помощью кюветы, давление метана в которой составляло Р2 « 0,5 атм. На обоих экспериментально полученных контурах прослеживается характерная дублетная структура линии поглощения Я7 молекул метана. Тот факт, что при

И

¡5 4

В

Г

!! 2

I

к 1

О

С/ Г

г а)

■ V -

- А ш ■

-1

1 2 3

Время, мс

б)

80 100 120 140

Ток накачки, мА

Рис.5. Линии поглощения метана (а) и аммиака (б) экспериментально зарегистрированные с помощью ЛД с ВБР, созданных по методу, разработанному в данной работе. Снизу на рисунке для масштаба перестройки по частоте показаны пики пропускания эталона Фабри-Перо с областью свободной дисперсии Ач=5 ГГц. Изменение тока накачки на 20 мА (б) соответствует 1 мс по шкале времени (а).

большем давлении метана в кювете дублет разрешается хуже, объясняется столкновительным уширением.

Распространение области применимости ЛД с ВБР на молекулярную спектроскопию требует не только достижения широкой перестройки частоты генерации, но и перекрытия диапазона сканирования частоты генерации со спектральным контуром конкретной линии поглощения исследуемого газа. Для этого в процессе записи волоконныхрешеток одновременно со спектром их пропускания наблюдалась линия поглощения выбранного газа, и было показано, что, для того чтобы линия поглощения прописывалась полностью, брэг'овская длина волны волоконной решетки и центральная длина волны линии поглощения должны совпадать с точностью лучше, чем 5Х=1 А.

Новый подход к созданию одночастотных перестраиваемых ЛД с ВБР, описанный в §4.1 и продемонстрированный в §4.2 на примере регистрации линии поглощения метана, может быть применен при регистрации любых газон, имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов = 0,7-5-1,7 мкм). В параграфе 4.3 приводятся результаты экспериментов по созданию широко перестраиваемого ЛД с ВБР,

предназначенного для сканирования контура линии поглощения аммиака на длине волны около А.=3,52 мкм. Эксперименты проводились по методике, описанной в §2.5. Чистый аммиак находился при комнатной температуре под давлением 150 Topp в кювете длиной 50 см. При таких условиях глубина выбранной линии поглощения должна быть практически стопроцентной.

Результат, полученный при регистрации линии поглощенш с использованием ЛД №7 и ВБР №10, показан на рис.5б. На том же ри;>шке показан сигнал эталона Фабри-Перо, из которого следует, что диапазон непрерывной перестройки составил Av=40 ГТц (1,33 см*1), а измеренная ширина на полувысоте линии поглощения равна Sv » 6 ГТц (0,2 см"1). Мощность генерации составила 5,5 мВт, что значительно превь шает аналогичный параметр для лазерного модуля, описанного в предыдущем параграфе. Это объясняется в первую очередь тем, что лазерный модул?, для регистрации аммиака имеет более длинную активную область (350 мкм), по сравнению с лазером для регистрации линии поглощения метана (200 мкм) В параграфе 4.4 представлены результаты измерений ширины линии генерации одночастотного перестраиваемого лазерного модуля для регистрации аммиака. Показано что ширина линии генерации соста».1яет порядка 1 МГц, что хорошо согласуется с теоретической оценкой приведенной в этом же параграфе.

Проведенные исследования закладывают основу создания не вой разновидности одночастотных лазеров со спектроскопически заданной центральной длиной волны генерации и диапазоном непрерывной перестройки частоты, достаточным для спектроскопии отдельных линий поглощения молекул и систем газоанализа.

В заключении диссертации кратко сформулированы ее оснонные результаты:

1. Исследована тонкая структура спектра генерации инжекционных лазеров на основе гетероструктур InGaAsP/InP с коротким (и1 см) гибрщ^ым резонатором на волоконных брэгговских решетках в области длин волн ,31 мкм и 1,56 мкм при изменении температуры и тока накачки. Обнаружена область изменения указанных модулирующих параметров, при которых реализуется непрерывно перестраиваемый одночастотный режим в

диапазоне 100 - 200 МГц с узкой линией генерации, которая составляет 10 -100 кГц.

2. В одночастотном режиме с узкой линией генерации в гибридных лазерах обнаружена «точка возврата», в которой скорость перестройки частоты генерации током накачки меняет знак. Показано, что в области точки воз врата частота генерации перестраивается плавно, без перескоков, а спорость перестройки составляет 1-5-10 МГц/мА, что на 2-3 порядка меньше типовых значений в РОС-лазерах и свидетельствует о повышенной стабильности линии генерации. Нулевая скорость перестройки частоты дмт уникальную возможность получать сдвиг фаз биений интерферирующих сигналов в волоконных интерферометрах, равный нулю, и стабилизировать рабочую точку интерферометра при разности длин плеч вплоть до 10 км. Такие волоконные интерферометры демонстрируют предельно высокую чувствительность к физическим воздействиям.

3. На базе волоконных интерферометров с разностью длин плеч от 10 м до 10 км конфокальных сканирующих интерферометров и эталонов Фабри-Перо созданы экспериментальные установки, позволяющие с высоким спектральным разрешением (до ~ 1 кГц) исследовать когерентные и перестроечные характеристики одночастотных лазеров в спектральном диапазоне 0,7-5-1,7 мкм.

4. Предложен новый подход к созданию одночастотных гибридных лазеров, перестраиваемых током накачки в широком диапазоне по частоте (>30 ГГц). Подход заключается в использовании волоконных брэгговских решеток с широким спектром отражения (3+10 А) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлена до остаточного коэффициента отражения 11=1*2%. Показано, что при использовании волоконных брэгговских решеток с коэффициентом отражения 10-50% и лазерных чипов (¡пОаАзРЯпР) длиной 200*350 мкм, мощность генерации на волоконном выходе составляет -1*5 мВт, а ширина спектральных линий не превышает 15 МГц.

5. Используя предложенный подход, впервые созданы перестраиваемые током накачки одночастотные инжекционные лазеры с гибридным резонатором, обладающие диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации в

диапазоне шириной 35+40 ГГц. С помощью созданных лазеров проведена регистрация отдельных линий поглощения аммиака (Х=1,5225 мкм) и метана (>.=1,645 мкм) Предложенный подход применим для создания лазеров для регис фации любых газов, имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (0,7+1,7 мкм).

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. М.И. Беловолов, Е.М. Дианов, В.П. Дураев, А.В. Гладышев, Е.Т. Неделин, М.А. Сумароков, «Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках», - Препринт ИОФАН, 2002 х., № 6, стр. 67.

2. М.И. Беловолов, А.В. Гладышев, В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, «Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках. Когерентные свойства и перестроечные характеристики», - Научно-практическая конференция «Оптические сети связи в России■ наука и практика.», Москва, 10-11 апреля 2002 г., Материалы конференции, с. 83 - 84.

3. М.И. Беловолов, А.В. Гладышев В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, К.А. Зыков-Мызин. Когерентные свойства инжекционных лазеров с гибридным резонатором на волоконной брэгговской решетке. -Всероссийская научная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 25-26 июня 2003г., Тезисы докладов, под ред. В.Е.Привалова, стр.9-10.

4. А.И. Надеждинский, О.В. Ершов, А.Г. Березин, М.И. Беловолов, А.В. Гладышев, С.А. Васильев, Е.М. Дианов, О.И. Медведков, В.П. Дураев, Е.Т. Неделин. Перестраиваемый эдночастотный диодный лазер для целей газоанализа. - Всероссийская научная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 25-26 июня 2003г., Тезисы докладов, под ред. В.Е.Привалова, стр.10-11.

5. A.V. Gladyshev, M.I. Belovolov, S.A. Vasiliev, Е.М. Dianov, O.I. Medvedkov, A.I. Nadezhdinskii, O.V. Ershov, A.G. Beresin, V.P. Duraev, E.T. Nedelin, "Tunable single-frequency diode laser source for gas-analysis applications", - Proceedings of SPIE, 2004, Vol.5381, p.26-31, Lasers for Measurements and Information Transfer 2003; Vadim E. Privalov Ed.

6. M.I. Belovolov, A.V. Gladyshev, V.P. Duraev, E.T. Nedelin, K.A. Zykov-Myzin, "Coherent properties of FBG-based external cavity diode lasers", -Proceedings ofSPIE, 2004, Vol.5381, p.20-25, Lasers for Measurements and Information Transfer 2003, Vadim E. Privalov Ed.

7. A.V. Gladyshev, M.I. Belovolov, S.A. Vasiliev, E.M. Dianov, O.I. Medvedkov, A.I. Nadezhdinskii. O.V. Ershov, A.G. Beresin, V.P. Duraev, E.T. Nedelin. "Tunable single-frequency diode laser at wavelength X = 1,65 цт for methane concentration measurements", - 4™ International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy, TDLS-2003, July 14-18, 2003, Zermatt, Switzerland, Abstracts of Papers, Paper A2 . p. 51.

8. A.V. Gladyshev, M.I. Belovolov, S.A. Vasilievf E.M. Dianov, O.I. Medvedkov, A.I. Nadezhdinskii, O.V. Ershov, A.G. Beresin, V.P. Duraev, E.T: Nedelin, "Tunable single-frequency diode laser at wavelength X = 1,65 jam for methane concentration measurements", Spectrochimica Acta Part A, vol.60, 14, p.3337-3340,2004.

9. A.B. Гладышев, М.И. Беловсшов, C.A. Васильев, E.M. Дианов, В.П. Дураев, О.И. Медведков, А. И. Надеждинский, Е.Т. Неделин, Я.Я. Понуровский, «Непрерывно перестраиваемый одночастотный диодный лазер на длину волны около X ~ 1,52 мкм для регистрации аммиака», -2-й общероссийский семинар по диодной лазерной спектроскопии (ДЛС), Тезисы докладов, Москва, октябрь 2004, стр.12 - 15.

10.А.В. Гладышев, М.И. Беловолов, С.А.Васильев, В.П. Дураев, О.И. Медведков, А.И. Надеждинский, Е.Т. Неделин, Я.Я. Понуровский, "Непрерывно перестраиваемый одночастотный диодный лазер на длину волны ~1.52 мкм для целей ггаоанализа", Квант, электроника, 35 (3), 241-242,2005.

ИИ 1 479

РНБ Русский фонд

2006-4 7999

Подписано в печать ¿ 9¡ík. 2005 г. __

Формат 60x84/16. Заказ N» jQ. Тираж /РСЬкз. П.я. (?f YS Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 1325128

Введение.

Глава 1. Инспекционные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. (Обзор литературы).

§1.1. Области применения инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке.

§1.2. Особенности конструкции инжекционных лазеров с волоконной решеткой во внешнем резонаторе.

§1.3. Ширина линии генерации инжекционных лазеров с внешним резонатором на ВБР.

§1.4. Возможности применения ЛД с ВБР в качестве перестраиваемого источника излучения.

§1.5. Анализ методов получения непрерывно перестраиваемого одночастотного режима генерации в инжекционных лазерах.

Глава 2. Экспериментальные установки, методики исследований, образцы лазеров и волоконных решеток.

§2.1. Конструкция и параметры исследованных образцов лазеров, лазерных чипов и волоконных решеток.

§2.1.1. Гибридные лазеры промышленной сборки.

§2.1.2. Лазерные чипы и волоконные решетки для создания перестраиваемых одночастотных гибридных лазеров для спектроскопических применений.

§2.2. Методика исследования ватт-амперных характеристик.

§2.3. Установка и методика исследований одночастотного режима с узкой линией и его перестройки с помощью волоконных интерферометров

Маха-Цендера.

§2.4. Установка и методика исследований перестройки частоты генерации с помощью эталона Фабри-Перо.

§2.5. Изготовление микролинзы на торце волоконного световода.

Глава 3. Исследование когерентных свойств излучения промышленных образцов ЛД с ВБР.

§3.1. Измерение оптических характеристик волоконных брэгговских решеток в составе гибридного резонатора. Спектры генерации инжекционных лазеров вблизи порога.

§3.2. Ватт-амперные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором и зависимости мощности генерации от температуры.

Модовый состав и спектры генерации.

§3.3. Исследование одночастотного режима с узкой линией генерации. Когерентные свойства и перестроечные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором на волоконных решетках.

§3.4. Обсуждение экспериментальной зависимости перестройки частоты генерации от тока накачки в ЛД с ВБР.

Глава 4. Исследования по разработке и созданию новых инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке.

§4.1. Предварительные исследования, по созданию ЛД с ВБР с диапазоном непрерывной перестройки более 30 ГГц.

§4.2. Создание широко перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения метана.

§4.3. Создание перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии поглощения аммиака.

§4.4. Ширина линии генерации созданного лазерного модуля на длину волны

А=1,5225 мкм.

Развитие инжекционных полупроводниковых лазеров на протяжении последних 30 лет тесно переплетается с развитием волоконной оптики. Перспективы, открываемые волоконно-оптической связью [1], послужили стимулом для бурного роста числа исследований и практических разработок полупроводниковых лазеров как источников излучения для волоконно-оптических применений. За это время было решено множество проблем, таких как эффективная стыковка активной области лазера с волоконно-оптическим трактом, создание инжекционных лазеров на длины волн около 1,3 и 1,55 мкм, попадающих в области прозрачности волоконных световодов, достижение минимальных потерь в кварцевых волокнах, высокочастотная модуляция выходного излучения лазера током накачки и т.д.

Одной из важнейших задач для многих практических и научных применений инжекционных лазеров является проблема получения одночастотного режима генерации и возможность управления этим режимом. Именно одночастотный режим является необходимым условием для таких применений, как интерференционные датчики различных физических величин, системы оптической связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектроскопия молекул и т.д.

Существует несколько методов обеспечения одночастотной генерации в инжекционных лазерах [2, 3, 4]. Среди них следует особо выделить метод, основанный на использовании в качестве зеркала во внешнем резонаторе брэгговской решетки показателя преломления, записанной в одномодовом волоконном световоде. При простоте реализации по сравнению с другими методами, в таком подходе сочетаются преимущества инжекционных лазеров и волоконных брэгговских решеток, а именно: • компактные размеры

• простота модуляции током накачки

• высокая спектральная селективность

• естественное сопряжение с волоконно-оптическими технологиями

Лазерные диоды с волоконной брэгговской решеткой (ЛД с ВБР) во внешнем резонаторе изучаются с середины 80-х годов [5, 6, 7, 8] и получили в литературе название гибридных лазеров. К настоящему времени известно, что в таких лазерах можно получить одночастотный режим с узкой кГц [4, 19]) линией генерации. Продемонстрировано стабилизирующее влияние волоконной решетки на длину волны генерации лазера. В последние годы проводятся интенсивные исследования ЛД с ВБР ввиду перспективы их применения в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом решаются задачи генерации солитонных импульсов с высокой частотой следования, а также задачи удержания длины волны генерации в жестко заданных спектральных интервалах (ДА=4А), отведенных под каналы передачи данных в В\\ПЗМ-системах связи.

В то же время, остаются малоизученными некоторые вопросы, представляющие интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Необходимо отметить, что на сегодняшний день не проводилось целенаправленных исследований лазеров данной конструкции на предмет получения одночастотного режима генерации, непрерывно перестраиваемого током накачки в достаточно широком (более 30 ГГц) частотном диапазоне. Вопросы, связанные с перестройкой частоты генерации в течение импульса накачки (чирп частоты) если и обсуждаются, то только как нежелательный эффект, который должен быть сведен к минимуму. Между тем, создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволило бы говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность применять такие лазеры в молекулярной спектроскопии, датчиковых системах детектирования отдельных газов и т.д.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию перестроечных характеристик и когерентных свойств инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. В работе рассматривается вопрос о ширине линии генерации таких лазеров. Изучается перестройка частоты генерации током накачки в режиме с узкой линией генерации. Предложен и впервые реализован новый подход к созданию перестраиваемых ЛД с ВБР для целей диодной лазерной спектроскопии. При этом продемонстрирована возможность применения данных лазеров для регистрации газов имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (А=0,7-й,7 мкм).

Содержательная часть диссертационной работы состоит из четырех глав.

В Главе 1 дан обзор литературы по инжекционным лазерам с волоконной решеткой во внешнем резонаторе. Обсуждаются особенности конструкции резонатора ЛД с ВБР и области применения таких лазеров. В этой главе также приводится сравнительный анализ методов получения одночастотного перестраиваемого режима генерации в инжекционных лазерах. Подробно описаны основные идеи по созданию таких лазеров, указаны возможные области применения. Рассмотрены основные теоретические представления о ширине линии генерации и влияющих на нее факторов.

Глава 2 посвящена описанию элементной базы, приборов и экспериментальных установок, использованных при исследовании инжекционных лазеров с просветленной до Я2 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе. Описаны особенности конструкции промышленно изготовленных образцов лазеров, а также приведены характеристики лазерных чипов и брэгговских решеток, которые применялись при разработке и создании новых лазеров, обладающих расширенным диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. В главе также рассмотрены методики исследований когерентных и перестроечных свойств лазеров.

В Главе 3 приведены результаты исследований когерентных свойств и перестроечных характеристик инжекционных лазеров с волоконной брэгговской решеткой, передняя грань которых имела просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения R2<0,005. Обсуждаются условия возникновения одночастотного режима с узкой линией генерации, и проводится сравнение измеренной ширины линии с теоретическими оценками. Представлены результаты исследований зависимостей мощности генерации от температуры при различных токах накачки. Значительное внимание уделено особенностям перестройки частоты генерации током накачки.

В Главе 4 изложены результаты исследований по разработке и созданию одночастотных диодных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке, обладающих широким (более 30 ГГц) диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. Представлены результаты экспериментов по регистрации линий поглощения метана и аммиака с помощью ЛД с ВБР созданных на основе предложенного в данной работе подхода.

На защиту выносятся следующие основные результаты: 1. В диодных лазерах с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе, при длинах резонатора ~1см реализуется одночастотный режим с шириной линии генерации Ю-rlOO кГц и диапазоном непрерывной перестройки частоты током накачки 20 - 200 МГц.

2. Мощность генерации гибридных лазеров при постоянном токе накачки имеет периодическую зависимость от температуры Р=Р(Т), и одночастотный режим генерации наблюдается при температурах соответствующих участкам dP/dT< 0 на зависимостях Р(Т).

3. В одночастотном режиме генерации гибридных лазеров с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью на зависимостях частоты генерации от тока накачки наблюдается точка возврата частоты, в которой скорость перестройки dv/dJH меняет знак, а значение скорости перестройки частоты в области точки возврата составляет 1-гЮ МГц/мА.

4. Использование волоконных брэгговских решеток с широким спектром отражения (3-f-lO Ä) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлена до остаточного коэффициента отражения R=0,01^0,02, позволяет создавать одночастотные лазеры, непрерывно перестраиваемые током накачки в широком диапазоне по частоте (>30 ГГц). Такие лазеры могут быть созданы на любую длину волны, попадающую в область прозрачности волоконных световодов (0,7-й ,7 мкм) и позволяют проводить регистрацию отдельных линий поглощения различных газов.

Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях и докладывались на Научно-практической конференции «Оптические сети связи в России: наука и практика» (апрель 2002 г., г.Москва), на международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (июнь 2003 г., г.С-Петербург), на международной конференции по диодной лазерной спектроскопии «TDLS-2003» (июль 2003 г., г.Зерматт, Швейцария), на общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (октябрь 2003 г. и октябрь 2004 г., г.Москва).

1. Е.М. Дианов, "От тера-эры к пета-эре", Вестник Российской Академии наук, т.20,№ 11, 1010-1015,2000.

2. Р. Лэиг, Ю. Ямаиака, "Внешняя оптическая обратная связь в полупроводниковых лазерах", в кн. Физика полупроводниковых лазеров, под ред. X. Такумы, 137-158, 1989.

3. С. Акиба, К. Утака, "Динамически одночастотные полупроводниковые лазеры", в кн. Физика полупроводниковых лазеров, под ред. X. Такумы, 137-158, 1989.

4. V. Sykes, "External cavity diode lasers for ultra-dense WDM networks", Lightwave, March 2001.

5. E. Brinkmayer, W. Brennecke, M. Zurn, and R. Ulrich, "Fiber Bragg reflector for mode selection and line-narrowing of injection laser", Electron. Lett., vol.22, 134-135, 1986.

6. C.A. Park, С.J. Rowe, J. Buus, D.C.J. Reid, A. Carter, and I. Bennion, "Singlemode behavior of multimode 1,55 |im laser with a fiber grating external cavity", Electron. Lett., vol.22, 1132-1134, 1986.

7. И.А. Авруцкий, В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, A.M. Прохоров, А.С. Свахин, В.А. Сычугов, "Одночастотный полупроводниковый лазер с А,=1,3 мкм с волоконным внешним резонатором", Письма в ЖТФ, т. 13, вып. 14, 849854, 1987.

8. D. Burns, D.W. Crust, J.T.K. Chang, and W. Sibbett, "Active mode-locking of an external cavity GalnAsP laser incorporating a fiber-grating reflector", Electron. Lett., vol.24, 1439-1441, 1988.

9. P.STJ. Russell, R. Ulrich, "Grating-fibre coupler as a high-resolution spectrometer", Opt. Lett.,vol.lO, 291-293, 1985.

10. А.С. Свахин, B.A. Сычугов, T.B. Тулайкова, Квантовая электроника, т. 14, №2, 440-442, 1986.

11. G. Meltz, W.W. Morey, W.H. Glenn, "Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method", Opt. Lett.,уol.l4, №15, 823-825, 1989.

12. J.L. Archambault, S.G. Grubb, "Fiber gratings in lasers and amplifiers", J. of Lightwave Technology, vol.15, №8, 1378-1390, 1997.

13. M. Ziari, J.-M. Verdiell, J.-L. Archambault, A. Mathur, H. Jeon, R.-C. Yu, T.L. Koch, "High speed fiber grating coupled semiconductor WDM laser", in Proc. Conf. Lasers Electro-Opt. (CLEO'97), Baltimore, MD, 1997, paper CMG1.

14. R.J. Campbell, J.R. Armitage, G. Sherlock, D.L. Williams, R. Payne, M. Robertson, R. Wyatt, "Wavelength stable uncooled fiber grating semiconductor laser for use in an all optical WDM access network", Electron. Lett., vol.32, 119-120, 1996.

15. D.M.Bird, J.R.Armitage, R.Kashyap, R.M.A.Fatah, K.H.Cameron, "Narrow line semiconductor laser using fiber grating",Electron. Lett. Vol.27, 1115, 1991.

16. W.H. Loh, R.I. Laming, M.N. Zervas, M.C. Farries, U. Koren, "Single frequency erbium fiber external cavity semiconductor laser", Appl. Phys. Lett., vol.66, 3422-3424, 1995.

17. М.И. Беловолов, E.M. Дианов, В.П. Дураев, A.B. Гладышев, E.T. Неделин, M.A. Сумароков, "Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках", Препринт ИОФРАН, №6, 67 стр., 2002.

18. P. Paoletti, М. Meliga, G. Oliveti, М. Puleo, G. Rossi, L. Senepa, "10 Gbit/s ultra low hirp 1,55 im directly modulated hybrid fiber grating semiconductor laser source", in Tech. Digest of ECOC'97, 107-110, 1997.

19. Р.А. Morton, V. Mizrahi, S.G. Kosinski, L.F. Mollenauer, T. Tanbun-Ek,Hybrid soliton pulse source with fiber external cavity and Bragg reflector", Electron. Lett., vol.28, 561-562, 1992.

20. C.R. Giles, T. Erdogan, V. Mizrahi, "Simultaneous wavelength-stabilization of 980-nm pump laser", IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, 907-909, 1994.

21. B.F. Ventrudo, G.A. Rogers, G.S. Lick, D. Hargreaves, T.M. Demayo, "Wavelength and intensity stabilization of 980-nm diode lasers coupled to fiber Bragg gratings", Electron. Lett., vol.30, 2147-2148, 1994.

22. D. Hargreaves, G.S. Lick, B.F. Ventrudo, "High-power 980 nm pump module operating without thermoelectric cooler", in Proc. Opt. Fiber Commim. Conf. (OFC'96), San Jose, CA, 1996, paper ThG3, 229-230.

23. F.N. Timofeev, R. Kashyap, "High-power, ultra-stable, single-frequency operation of a long, doped-fiber external-cavity, grating-semiconductor laser", Optics Express, vol.11, №6, 515-520, 2003.

24. C.H. Henry, "Theory of the linewidth of semiconductor lasers", IEEE J. Quantum Electron., vol.QE-18, №2, 259-264, 1982.

25. E. Patzak, A. Sugimura, S. Saito, T. Mukai, H. Olesen, "Semiconductor laser linewidth in optical feedback configurations", Electron. Lett., vol.19, №24, 1026-1027, 1983.

26. R. Wyatt, "Spectral linewidth of external cavity semiconductor lasers with strong, frequency-selective feedback", Electron. Lett., vol.21, №15, 638-639, 1985.

27. A.L. Schawlow, C.H. Townes, "Infrared and optical masers", Phys. Rev., vol.112, №6, 1940-1949, 1958.

28. M.W. Fleming, A. Mooradian, "Fundamental line broadening of single-mode (GaAl)As diode lasers", Appl. Phys. Lett., vol.38, p.511, 1981.

29. M. Fujise, M. Ichikawa, "Linewidth measurements of a 1,5 Jim range DFB laser", Electron. Lett., v.21, №6, pp.231-232, 1985.

30. T.L. Koch, "Laser Sources for Amplified and WDM Lightwave Systems", in Optical Fiber Telecommunications vol. Ill B, edited by I.P. Kaminow and T.L. Koch, pp.138-144, 1997.

31. М.И. Беловолов, E.M. Дианов, А.П. Крюков, B.X. Пенчева, "Новые волоконно-интерферометрические методы исследования когерентных свойств перестраиваемых одночастотных лазеров",-Труды ИОФАН, 1988, т.15, стр.164-181.

32. H.L. An, "Theoretical investigation on the effective coupling from laser diode to tapered lensed single-mode optical fiber", Opt Commun., v.181, pp.89-95, 2000.

33. I.G. Koprinkov, I.K. Ilev, T.G. Kortenski, "Transmission Characteristics of Wide-Aperture Optical Fiber Taper", J. Lightwave Technol., v. 10, №2, pp. 135141, 1992.

34. K. Kawano, O. Mitomi, M. Saruwatari, "Combination lens method for coupling a laser diode to a single-mode fiber", Appl. Opt., v.24, №7, pp. 984989, 1985.

35. J.-I. Yamada, Y. Murakami, J.-I. Sakai, T. Kimura, "Characteristics of a Hemispherical Microlens for Coupling Between a Semiconductor laser and Single-Mode Fiber", IEEE J. Quant. Electron., v. 16, №10, pp. 1067-1071, 1980.

36. H. Kuwahara, M. Sasaki, N. Tokoyo, "Efficient coupling from semiconductor lasers into single-mode fibers with tapered hemispherical ends", Appl. Opt., v.19, №15, pp. 2578-2583, 1980.

37. П.Г. Елисеев, "Введение в физику инжекционных лазеров", М.,"Наука", 1983 г.

38. X. Кейси, М. Паниш, "Лазеры на гетероструктурах", в двух томах, М., "Мир", 1981.

39. А.П. Богатов, П.Г. Елисеев, О.Г. Охотников, М.П. Рахвальский, К.А. Хайретдинов, "Взаимодействие мод и автостабилизация одночастотной генерации в инжекционных лазерах", Квантовая электроника, т.Ю, №9, стр. 1851 1865, 1983.

40. B.W. Hakki, T.L. Paoli, "Gain spectra in GaAs double-heterostructure injection lasers", J. Appl Phys., v.46, №3, pp. 1299-1306, 1975.