Исследование спектральных и динамических характеристик РОС-лазеров для волоконно-оптических линий связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

Г ~ 3 О Д на пРавах рукописи

а и МАР 1938

СОКОЛОВСКИИ Григорий Семенович

Исследование спектральных и динамических характеристик РОС-лазеров для волоконно-оптических линий связи

специальность: 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН

научный руководитель:

кандидат физико-математических наук В.И.Кучинский.

официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Р.П.Сейсян, кандидат физико-математических наук С.Ю.Карпов.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный технический университет, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится "23 " 1998 г. в ^ ^ часов

на заседании диссертационного совета К 003.23.01 Физико-Технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высыл: по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "¿£." 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инжекционные лазеры на основе ГгЮаАзРЛпР с длиной волны генерации в области 1.5-1.6 мкм с распределенной обратной связью (РОС) являются оптимальными источниками излучения для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи большой протяженности. Это обусловлено, во-первых, тем. что данная спектральная область соответствует минимуму оптических потерь в современных кварцевых волоконных световодах и. во-вторых, одночастотным в динамическом режиме спектром генерации таких лазеров, что минимизирует увеличение длительности информационных световых импульсов при их распространении по оптическому волокну с ненулевой дисперсией. Важнейшими параметрами инжекционных лазеров, предназначенных для систем оптической связи, являются ширина генерируемой спектральной линии, устойчивость одночастотного режима генерации и предельная частота внешней токовой модуляции, определяющая быстродействие системы.

Излучательные характеристики полупроводниковых лазеров могут быть существенно улучшены методами зонной инженерии, т.е. управлением составами и толщинами эпитаксиальных слоев. Например, изменение взаимного расположения подзон легких и тяжелых дырок в валентной зоне приводит к изменению эффективной массы дырок, модификации спектров оптического усиления для излучения с различной поляризацией и т.д. Таким образом, методами зонной инженерии могут быть созданы полупроводниковые лазеры с переключением поляризации излучения и поляризационной бистабильностью. Лазеры с поляризационной бистабильностью выгодно отличаются от других бистабильных полупроводниковых лазеров тем, что при их переключении не меняется концентрация неравновесных носителей заряда, что позволяет снять обычные ограничения (время жизни) на скорость переключения. Наиболее интересно исследование поляризационных аномалий в лазерах с РОС, где резонатор обладает меньшей поляризационной селективностью в сравнении с резонатором Фабри-Перо, поэтому можно ожидать возникновения поляризационных аномалий при меньших внутренних деформациях.

Несмотря на наличие значительного числа научных публикаций, посвященных исследованию полупроводниковых РОС-лазеров различных конструкций, многие вопросы, связанные с улучшением параметров лазеров, предназначенных для систем оптической связи, остаются до настоящего времени недостаточно разработанными.

■А-

Этим и определяется актуальность темы данной диссертации.

Целью данной работы являлось исследование спектральных и динамических характеристик [гЮаАзРЛпР (Д.= 1.5-1.6мкм) лазеров с распределенной обратной связью, анализ способов повышения их быстродействия и обеспечения одночастотного режима генерации. В задачи работы входило также исследование зависимости поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем от параметров лазерного диода и разработка экспресс-метода регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.

Научная новизна работы заключается в следующем: Проведено комплексное теоретическое исследование инжекционных 1гЮаА5Р/1пР (X = 1.5-1.6 мкм) лазеров с "клиновидной" (за счет изменения по длине резонатора шага встроенной диффракционной решетки) структурой РОС. Количественно проанализировано влияние вариации периода решетки на спектральные характеристики лазеров с РОС.

2. Разработана технология создания дифракционных решеток для РОС-лазеров с плавно изменяющимся по длине резонатора периодом решетки. Определены условия получения максимальных значений вариации шага решетки.

3. Получено экспериментальное подтверждение теоретических выводов о нелинейной зависимости квадрата частоты релаксационных колебаний от выходной мощности. Экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний.

4. Проведено комплексное теоретическое исследование поляризации излучения инжекционных 1пСаА5Р/1пР лазеров с напряженным активным слоем. Впервые получено аналитическое выражение для зависимости времени переключения поляризации выходного излучения от параметров лазерного диода.

5. Изучена возможность "двойной" модуляции(током накачки и коэффициентом оптического ограничения) полупроводникового лазера для получения лазерного излучения с круговой поляризацией. Разработан метод прямого управления поляризацией лазерного излучения при практически постоянной выходной мощности, т.н. "скрамблирования".

6. Разработан экспресс-метод регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.

Основные результаты, перечисленные в заключении по диссертации, были получены впервые.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложена конструкция полупроводникового лазера с дифракционным выводом излучения и распределенным брегговским отражателем со стороны подложки. Показано что предложенная конструкция позволяет существенно повысить эффективность лазера и обеспечивает генерацию одночастотного излучения высокой мощности с расходимостью, определяемой дифракционным пределом.

2. Предложена конструкция полупроводникового лазера с РОС, в которой за счет малого изменения периода модуляции коэффициента преломления волновода по длине резонатора исключается появление брегговской щели в спектре излучения и достигается одночастотная генерация. Разработана технология создания РОС-лазеров с плавно изменяющимся подлине резонатора периодом решетки.

3. Теоретически исследована зависимость поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем от параметров лазерного диода, в результате чего:

a) найдена зависимость тока переключения поляризации излучения от параметров лазера, что позволяет заранее предсказать возможность переключения мод различных поляризаций или их бистабильности при изменении тока накачки.

b) найдена зависимость времени переключения поляризации лазерного излучения при изменении тока накачки от параметров лазера, что позволяет оптимизировать лазерную структуру для получения быстрого (порядка десятков пикосекунд) времени переключения поляризации лазерного излучения.

c) предложен способ плавной перестройки поляризации излучения полупроводникового лазера при постоянной мощности излучения путем "двойной" модуляции(током накачки и изменением фактора ограничения), что позволит исключить влияние случайно возникающей поляризационной селективности оптического волокна на стабильность работы волоконно-оптических линий связи.

4. Разработан экспресс-метод регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.

На защиту выносятся следующие научные положения: Положение 1 (о релаксационных колебаниях в полупроводниковых лазерах). экспериментальное подтверждение теории нелинейной зависимости

Получено квадрата

частогы РК, обусловленннон насыщением усиления, от выходной мощности. Теоретически предсказана и экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний, что объясняется ухудшением ватт-амперной характеристики лазерных диодов при введении области насыщающегося поглотителя.

Положение 2 (об одночастотной генерации в лазере с распределенной обратной связью, образованной периодической модуляцией коэффициента преломления). Использование дифракционной решетки со слабоменяюшимся шагом для организации распределенной обратной связи в полупроводниковом лазере позволяет исключить появление брегговской щели в спектре генерации и получить одночастотную генерацию на брегговской длине волны

Положение 3 (о времени переключения поляризации излучения полупроводникового лазера). Время переключения поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем при изменении тока накачки зависит от коэффициентов нелинейного усиления и не зависит от "линейных" параметров лазерного диода (времени жизни носителей заряда, концентрации прозрачности и т.д.)

Положение 4 (о плавной перестройке поляризации излучения полупроводникового лазера). "Двойная" модуляция (током накачки и изменением фактора ограничения) полупроводникового лазера с напряженным активным слоем позволяет получить плавную перестройку поляризации излучения при постоянной мощности излучения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме SPLE "Optical science, engineering and instrumentation" (Денвер, штат Колорадо, США, август 1995), на 3 Международной конференции "Nanoscructures: physics and technology" (С-Петербург, июнь 1997) а также на научных семинарах лаборатории интегральной оптики на гетероструктурах ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации.

По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 7 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 114 страниц, в том числе 90 страниц основного текста, 24 рисунков на 24 страницах и I таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 60 наименований и занимает 9 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены выносимые на защиту научные положения и кратко изложено содержание диссертации.

Глава первая. Теоретические основы лазеров с распределенной обратной связью (РОС)

В главе кратко рассмотрены основные положения классической теории, даны определения основных понятий, использованных при исследовании и оптимизации характеристик лазеров с РОС.

В §1.1 рассмотрен формализм связанных волн (Kogelnik & Shank, 1972). Приведены основные соотношения, определяющие спектр и пороги возбуждения мод в РОС-структуре. Основным параметром теории является коэффициент связи волн (coupling) к, характеризующий величину обратной связи на единицу длины резонатора. Показано, что при образовании распределенной обратной связи за счет модуляции показателя преломления в модовом спектре появляется "брегговская" щель (область запрещенных частот) шириной Дш=2ск/п„, где п, - эффективный показатель преломления волновода. Отмечено, что в случае сильной связи (kL»\) распределение интенсивности излучения по длине резонатора имеет резко выраженный максимум, а в случае слабой связи (kL«\) - минимум в центре РОС-структуры.

В §1.2 рассмотрено влияние отражения на торцах структуры на модовый спектр РОС-лазера (Streifer et al., 1975). Для этого введен параметр ft - фазовый сдвиг периодической модуляции относительно центра структуры. В результате численных расчетов показано, что соотношение пороговых усилений основных брегговских мод, и как следствие, установление одночастотного режима генерации существенно зависит от величины фазового сдвига, в то время как контроль П при скалывании лазерных диодов практически невозможен. Проанализирована

-х-

возможность возникновения генерации мод Фабри-Перо в РОС-лазере со сколотыми торцами. Показано, что конкуренция брегговских и Фабри-Перо мод определяется соотношением их пороговых усилений. Поэтому при сильной связи (А'£»1) генерация мод Фабри-Перо в РОС-лазере не наблюдается. В условиях слабой связи (кО<I) для обеспечения одночастотной генерации необходимо применение дополнительных мер по снижению добротности резонатора Фабри-Перо.

В §1.3 для анализа динамики лазеров введены балансные уравнения, основанные на локальных уравнениях сохранения фотонов и инжектированных носителей. Значительное упрощение достигается при интегрировании локальных переменных по длине резонатора, т.е. при допущении пространственной однородности концентрации фотонов и носителей заряда. Обсуждены условия применимости полученной системы пространственно-усредненных (скоростных) уравнений.

§1.4 посвящен рассмотрению прямой токовой модуляции полупроводникового лазера и ее анализу на основе скоростных уравнений. Основное внимание уделено частоте релаксационных колебаний и ее зависимости от различных параметров лазера. Частота РК принимается мерой предельного быстродействия лазера.

Глава вторая. Спектральные и динамические характеристики лазеров с РОС

В §2.1 представлены результаты исследования и сравнения скоростных свойств полупроводниковых гетеролазеров с областью насыщающегося поглотителя, образованной методом имплантации тяжелых ионов и неимплантированных лазеров и рассмотрены факторы, их определяющие. Получено экспериментальное подтверждение теории о нелинейной зависимости квадрата частоты РК от выходной мощности, что обусловлено насыщением усиления. Экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний. Последнее объясняется особенно сильным влиянием насыщающегося поглотителя на наклон ватт-амперной характеристики имплантированного лазера при относительно малых концентрациях фотонов в активной области.

§2.2 посвящен исследованию спектральных и динамических характеристик линейки из четырех РОС-лазеров для высокоскоростных оптоволоконных линий связи (ЛС) с частотным уплотнением (ЧУ). Использование в ЛС с ЧУ налагает особенно жесткие требования на стабильность спектральных характеристик РОС-лазера при прямой высокочастотной (> 5 ГГц) модуляции. Поэтому предметом

исследований кроме "стандартных" измерений спектральных, амплитудно-частотных характеристик, ширины линии генерации стало измерение "перекрестных" характеристик - температурного и электрического влияния друг на друга четырех лазеров, находящихся на общей подложке.

РОС-лазеры с квантово-размерными активными областями были выращены методом МОСУО на 1пР подложке и имели линейные вольтамперные характеристики с пороговым током ~25+30мА при выходной мощности до >20мВт. Перекрестное термическое воздействие по результатам измерений составило 0.025 А/мА. Ширина полосы модуляции каждого из четырех лазеров составила 5-6 ГГц при перекрестном электрическом воздействии на уровне менее -25 дБ. Проведенные исследования показали, что подобные лазерные линейки пригодны для изготовления интегрально-оптических приборов для ЛС с ЧУ при скорости передачи 25-30 ГГц.

В §2.3 проведен точный количественный учет фазовых эффектов, возникающих в полупроводниковом лазере с дифракционным выводом излучения и распределенным брегговским отражателем со стороны подложки.

Полупроводниковые инжекционные лазеры с дифракционным поверхностным выводом излучения обладают рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых вывод излучения осуществляется через торцы. Одними из основных преимуществ являются большая поверхность вывода излучения и связанная с ней высокая выходная апертура, что становится особенно важным при вводе лазерного излучения в оптическое волокно. Вместе с тем эти лазеры обладают некоторыми недостатками, к числу которых в первую очередь можно отнести потери излучения, дифрагированного в сторону подложки. Следует отметить, что в ряде случаев по технологическим соображениям для создания обратной связи используются решетки, работающие во втором порядке дифракции. При этом эффективность прибора снижают также потери излучения в первом порядке дифракции. Обе эти проблемы можно решить, если под волноводным слоем поместить многослойное брегговское зеркало. Показано, что точный учет фазовых соотношений между волнами, диффрагированными в воздух и в сторону многослойного брегговского зеркала и переотраженными им, открывает пути для существенного повышения эффективности лазера.

Глава третья. Исследование спектральных характеристик лазеров с клиновидной структурой РОС.

В §3.1 введено понятие "клиновидной" структуры РОС и обсуждены способы создания "клина". В первой главе было отмечено, что РОС-резонатор, образованный за счет модуляции показателя преломления, имеет модовый спектр, симметричный относительно "брегговской" частоты, с двумя центральными модами, имеющими наименьший порог возбуждения. Наличие двух мод с минимальными потерями становится препятствием для получения одночастотной генерации РОС-лазера и затрудняет применение таких лазеров в волоконно-оптических линиях связи.

В 1976 году был предложен (Hous & Shank) и теоретически проанализирован лазер с клиновидной структурой распределенной обратной связи. Авторами было показано, что изменение коэффициента обратной связи и брегговской девиации (несоответствия между периодом решетки РОС-лазера и частотой генерации) по длине резонатора может привести к появлению генерации в точности на брегговской частоте. Частным случаем такого изменения является широко известный X/4-сдвиг встроенной диффракцнонной решетки. В настоящей работе подчеркнуто, что вариация каплинга и брегговской расстройки может быть достигнута не только за счет изменения среднего значения эффективного показателя преломления волновода или амплитуды его модуляции, но и за счет изменения периода гофрировки,

В §3.2 предложен простой способ изготовления диффракцнонной решетки с переменным шагом на базе хорошо отработанной технологии голографической фотолитографии. Отличие от общепринятой технологии заключается в том, что для засветки фоторезиста вместо плоскопараллельных лучей используются лучи со сферическим фронтом с большой (~0.1 рад) расходимостью. Использование такой методики не требует существенных изменений технологического процесса, разработанного для РОС-структур "обычной" конструкции и позволяет получать высококачественные диффракционные решетки с изменением шага до 1 А/мм и более.

§3.3 посвящен теоретическому анализу РОС-лазера с переменным шагом встроенной ДР. Вычисления показали, что в такой РОС-структуре возможно обеспечить селекцию одной продольной моды со степенью подавления побочных мод не хуже, чем в классической РОС-структуре с X/4-сдвигом. В то же время в структуре с переменным шагом, в отличие от случая X/4-сдвига, сохраняется распределение интенсивности светового поля, присущее "обычному" РОС-лазеру,

что обеспечивает улучшенную стабильность одиочастотного режима при повышении выходной мощности.

Глава четвертая. Исследование поляризационных свойств излучения полупроводникового лазера

Полупроводниковые лазеры с поляризационным переключением и бистабильностью могут оказаться весьма полезными для систем оптической обработки и передачи данных, например, в системах со спектральным уплотнением. Такие лазеры выгодно отличаются от других бистабильных полупроводниковых приборов тем, что при их переключении не меняется концентрация неравновесных носителей заряда, что позволяет снять обычные ограничения (время жизни) на скорость переключения. В связи с этим возникает вопрос, как быстро может происходить смена поляризации. К сожалению, до настоящего времени этой проблеме в литературе было уделено явно недостаточное внимание. В настоящей главе предпринята попытка получить в явном виде выражения для времени переключения поляризации излучения полупроводникового лазера и оценить влияние параметров лазерного диода на это время.

В §4.1 отмечено, что одноосная деформация полупроводника со сложной валентной зоной (таких как 1пСаА5Р) снимает вырождение валентной зоны и существенно изменяет ее строение. Использование методов зонной инженерии, т.е. управление составами и толщинами эпитаксиальных слоев для введения напряжений в активную область лазера, позволяет существенно улучшить излучательные характеристики полупроводниковых лазеров и придать им новые качества. Например, изменение взаимного расположения подзон легких и тяжелых дырок в валентной зоне приводит к изменению эффективной массы дырок и модификации спектров оптического усиления для излучения с различной поляризацией. Это позволяет получить различные аномалии в поляризации лазерного излучения, например, создать поляризациоино-бистабильные лазеры.

Спектр люминесценции одноосно деформированных полупроводников может быть разделен на две области: длинноволновую, в которой излучение обусловлено переходами электронов только в высшую валентную подзону, и коротковолновую, в которой излучение вызывается переходами в обе подзоны. Если линия генерации расположена на длинноволновом краю спектра усиления, где дтм^тн > атм/ате (здесь ц-усиление, а-потери), то одноосное сжатие будет приводить к ТМ поляризации стимулированного излучения. На коротковолновом краю спектра усиления, где

Втм/бтк < атм/ати, генерируемое излучение будет ТЕ поляризованным. В окрестности спектральной точки, где Цтм/цте = атм/ате, возможно излучение мод обеих поляризаций. Наиболее интересным представляется исследование поляризационных аномалий в лазерах с распределенной обратной связью, поскольку резонаторы РОС-лазеров обладают существенно меньшей поляризационной селективностью по сравнению с обычными резонаторами Фабри-Перо, следовательно, поляризационные аномалии в РОС-лазерах должны происходить при существенно меньших внутренних напряжениях. Еще одним важным преимуществом РОС-лазеров является возможность управления длиной волны генерируемого ими излучения, что позволяет разместить линию генерации РОС-лазера в любой части спектра усиления активной области. Таким образом, соответствующий выбор толщины активного слоя, его состава и шага дифракционной решетки РОС-лазера позволяет создать условия как для переключения мод с различной поляризацией, так и для их бистабильного поведения.

§4.2 посвящен рассмотрению системы скоростных уравнений для лазера, генерирующего две оптические моды различных поляризаций. К сожалению, такая система уравнений, в отличие от рассмотренной в §1.3 не поддается аналитическому решению. Поэтому для получения аналитического выражения для времени переключения поляризации излучения полупроводникового лазера к системе скоростных уравнений был применен метод Ляпунова анализа устойчивости решений систем дифференциальных уравнений. Согласно Ляпунову, состояние системы (не)устойчиво, если малое отклонение от этого состояния в момент времени I = 0 остается малым (увеличивается) за время 0 < I < да. Так как рассматриваемое отклонение мало, система дифференциальных уравнений может быть линеаризована. Зависимость малого отклонения от положения равновесия от времени может быть записана следующим образом:

где Р, - собственные значения, а V, - собственные вектора линеаризованной системы. Очевидно, что положение равновесия системы (не)устойчиво, если вещественные части всех (одного или более) собственных значений Р, отрицательны (положительны). Важно отметить, что. согласно (1), собственные значения Р, представляют собой обратное характеристическое время перехода системы из одного положения равновесия в другое и, таким образом, могут быть названы коэффициентами устойчивости системы.

Основной интерес для исследования представляют "тривиальные" решения: ТМ-поляризованное излучение и ТЕ-поляризованное излучение при отсутствии излучения другой поляризации. Возможны три комбинации коэффициентов устойчивости Рте/тм: оба коэффициента положительны - "тривиальные" решения неустойчивы т.е. ТЕ и ТМ моды сосуществуют, оба отрицательны - состояние бистабильности и, последнее, коэффициенты устойчивости имеют разные знаки - при этом лазер генерирует излучение той поляризации, для которой собственное значение отрицательно.

В §4.3 анализируется характер и скорость изменения поляризации выходного излучения лазера при варьировании тока накачки. Результаты аналитических вычислений сравнивались с решениями системы скоростных уравнений методом итераций. Сравнение показало хорошее согласование результатов численного моделирования с полученными из аналитических выражений.

Когда один из коэффициентов устойчивости отрицателен, а другой -положителен, время смены (переключения) поляризации выходного излучения лазера, вызванного изменением тока накачки, определяется как величина, обратная коэффициенту устойчивости системы, вычисленному при "новом" значении тока накачки. Иными словами, в рассматриваемом случае переключение поляризации происходит за время, обратное тому собственному значению (коэффициенту устойчивости) системы, которое положительно при "новом" токе накачки. Результаты проведенного нами анализа выражений для коэффициентов устойчивости показывают, что при постоянном токе переключения поляризации время переключения зависит только от величины коэфиициентов нелинейного усиления Ец и не зависит от линейных параметров лазерного диода.

Теперь рассмотрим случаи, когда коэффициенты устойчивости имеют один знак. В случае, когда оба собственные значения положительны, "тривиальные" состояния неустойчивы, и моды обеих поляризаций сосуществуют. При плавном изменении тока накачки лазерного диода в этой области, наблюдается плавное изменение поляризации выходного излучения лазера (степнеь поляризации пропорциональна току накачки).

В области параметров лазерного диода, где оба коэффициента устойчивости отрицательны, наблюдается некоторое противоречие: оба "тривиальные" состояния устойчивы, хотя существование одного исключает существование другого (см. выше). Это область бистабильности. Здесь поляризация выходного излучения лазера определяется тем, в каком состоянии была система до входа в рассматриваемую

область. Так, при плавном изменении тока накачки лазерного диода в некоторой области, где оба коэффициента устойчивости отрицательны, существует два значения тока накачки, при которых происходит переключение поляризации выходного излучения лазера, причем переключение наблюдается при "выходе" лазера из состояния бистабильности. Ватт-амперная характеристика лазера в рассматриваемой области имеет гистерезис, "ширину" которого можно легко определить из выражений для коэффициентов устойчивости.

В §4.4 рассмотрена возможность "двойной" модуляции (током накачки и коэффициентом оптического ограничения) полупроводникового лазера для прямого управления поляризацией лазерного излучения. Последнее особенно важно для волоконно-оптических линий связи, где из-за местных сжатий и изгибов оптического волокна случайным образом возникает поляризационная чувствительность линии. Для подавления этого эффекта необходимо применять дорогостоящие приборы ("скрамблеры"), преобразующие линейно поляризованный оптический сигнал в поляризованный по кругу.

Идея двойной модуляции заключается в следующем. Как было отмечено выше, в ватт-амперной характеристике лазера с переключением поляризации выходного излучения существует область, где степень поляризации и выходная мощность линейно зависят от тока накачки. Расположение этой области переключения поляризации на ВАХ зависит от многих параметров лазерного диода, в том числе и от коэффициента оптического ограничения. Таким образом, представляется возможным модуляцией коэффициента оптического ограничения плавно изменять степень поляризации, а током накачки поддерживать постоянной мощность выходного излучения.

Модуляция коэффициента оптического ограничения осуществляется приложением напряжения на боковые контакты лазерного диода, нанесенные с обеих сторон полоска. Положительное напряжение между боковыми контактами и подложкой "вытягивает" электроны из-под полоскового контакта, уменьшая тем самым коэффициент оптического ограничения. В то время как отрицательное напряжение увеличивает концентрацию носителей заряда в накачиваемой "области", увеличивая коэффициент оптического ограничения.

Анализ режима "двойной" модуляции проводился по методике, описанной в §4.3. Вычисления показали наличие возможности прямого управления поляризацией лазерного излучения при практически постоянной выходной мощности, т.н. "скрамблирования".

Глава пятая. Разработка экспресс-метода регистрации коротких (~!0пс) оптических импульсов

Для прямого измерения скоростных характеристик лазерных диодов и наблюдения быстрых процессов в полупровдниковых лазерах (таких, как. например, смена поляризации выходного излучения) разработано большое количество методик. Среди них можно назвать технику автокорреляционных измерений, регистрацию лазерных импульсов при помощи стрик-камеры и применение быстрых фотоприемников для прямой регистрации оптических импульсов. Основным недостатком перечисленных методов является высокая стоимость измерительного оборудования. В первых двух случаях к названному недостатку прибавляется сложность постановки эксперимента. Пятая глава настоящей диссертации посвящена разработке приемника излучения для экспресс-метода регистрации коротких оптических импульсов.

Приемником излучения могут служить металл-полупроводник-металл фоторезистивные детекторы, изготовленные на основе СэАб. выращенного при низкой температуре, которые продемонстрировали высокие значения рабочего напряжения и пикосекундные длительности процесса переключения. Повышение чувствительности таких приборов можно ожидать при их изготовлении на основе фосфида индия, за счет более высокой подвижности носителей заряда. Скорость срабатывания таких фоторезистивных ключей в основном ограничивается временем жизни носителей заряда. В полуизолирующем 1пР, легированном Ре, время жизни значительно понижается при концентрации легирующей примеси выше 210"" см \ Дальнейшее понижение времени жизни может быть достигнуто протонной бомбардировкой, которая вызывает образование точечных дефектов. В то же время, имплантация тяжелых ионов вызывает образование треков аморфизированного материала и, вследствие этого, еще более высокие скорости рекомбинации. В этой главе представлены результаты по улучшению разрешающей способности фоторезисторов изготовленных из объемного полуизолирующего 1пР с использованием метода имплантации тяжелых ионов Ь!*3.

В §5.1 описана технология изготовления предложенных фотоприемников. Фоторезистивные ключи имели одну приемную щель, материалом для их изготовления служил полуизолирующий 1пР. легированный Ре в концентрации 4 10"1 смПоверхность материала подвергалась химической полировке раствором Вг в метаноле, после чего методом электронно-лучевого напыления наносились Аи н АиЮе страйп-контакты. Ширины приемных щелей составляли 20, 9, 6, и 4.5 мкм.

Подложки образцов утоньшались до толщины, обеспечивающей получение согласующего сопротивления 50 Ом. Вжигание контактов проводилось при температуре 420°С в течение минуты. Энергия ионов ЬГ3 при имплантации составляла 16.8 МэВ при дозах от МО11 до 8 10,г см г.

В §5.2 представлены результаты измерения характеристик 1пР:Ре фоторезисторов.

Для измерения фотоответа ключей использовались импульсы АЮаАэ лазера, имеющего область насыщающегося поглотителя, созданного ионной имплантацией. Лазер при импульсном токе накачки вблизи порога генерации испускал одиночный световой импульс, длительность которого, определенная на стрик-камере, равнялась 16 пс. Напряжение фотоответа ключей измерялось при помощи стробоскопического осциллографа.

Напряжение пробоя образцов было не менее 40 кВ/см и не обнаруживало заметного уменьшения после имплантации. Темновое сопротивление неимплантированных ключей достигало нескольких сотен МОм, но при дозах имплантации более 1 101!см 2 уменьшалось до типичного значения 400 кОм, что объясняется образованием мелких электронных уровней вблизи границы зоны проводимости.

Были проведены измерения полуширины импульса фотоответа для образцов с различными ширинами приемных щелей как функции дозы имплантации.С увеличением дозы имплантации наблюдалось существенное уменьшение "хвоста" импульса фотоответа при заметном улучшении переднего фронта импульса. Для некоторых образцов с шириной приемной щели 4.5 и 6 мкм при дозах имплантации в диапазоне 2-51012смг были получены полуширины импульсов фотоответа, ограниченные разрешением измерительных приборов (~40 пс).

Для фоторезисторов с различной шириной приемной щели при увеличении дозы имплантации наблюдалось также падение чувствительности. Это можно объяснить уменьшением времени жизни и подвижности носителей, что, в свою очередь, связано с повышением концентрации центров рассеяния.

§5.3 посвящен измерению спектральных характеристик фоторезисторов при различных дозах имплантации. С повышением дозы имплантации падение фоточувствительности было более заметно в коротковолновой (0.4 + 0.7 мкм), чем в длинноволновой (0.7 + 0.9 мкм) области спектра. Для объяснения этого эффекта необходимо отметить, что при ионной имплантации существенно повышается коэффициент поглощения имплантируемого материала, что ведет к уменьшению

глубины поглощения. Так как глубина поглощения коротковолнового света меньше, чем длинноволнового, влияние поверхностной рекомбинации носителей заряда на фотоответ в области длин волн 0.4 + 0.7 мкм с повышением дозы имплантации оказывается все более существенным по сравнению с аналогичным влиянием в "красной" области спектра, что и ведет к наблюдаемому изменению спектральных характеристик фоторезисторов.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Проведено комплексное теоретическое исследование инжекционных 1пОаА$РЛпР (X = 1.5-1.6 мкм) лазеров с "клиновидной" (за счет изменения шага встроенной диффракцнонной решетки) структурой РОС. Показано, что в РОС-лазере предложенной конструкции исключается появление брегговской щели в спектре излучения и достигается одночастотная генерация. Разработана технология изготовления дифракционных решеток с плавно меняющимся шагом, необходимых для практической реализации лазеров предложенной конструкции.

2. Предложена и проанализирована конструкция полупроводникового лазера с дифракционным выводом излучения и распределенным брегговским отражателем со стороны подложки. Показано, что предложенная конструкция позволяет существенно повысить эффективность лазера и обеспечивает генерацию одночастотного излучения высокой мощности с расходимостью, определяемой дифракционным пределом.

3. Получено экспериментальное подтверждение теории нелинейной зависимости квадрата частоты РК, обусловленнной насыщением усиления, от выходной мощности. Теоретически предсказана и экспериментально обнаружена область малых мощностей выходного излучения лазеров с насыщающимся поглотителем, свободная от релаксационных колебаний, что объясняется ухудшением ватт-амперной характеристики лазерных диодов при введении области насыщающегося поглотителя.

4. Теоретически исследована зависимость поляризации излучения полупроводникового лазера с напряженным активным слоем от параметров лазерного диода, в результате чего найдена зависимость тока переключения поляризации излучения от параметров лазера, что позволяет заранее предсказать возможность переключения мод различных поляризаций или их бистабильности

при изменении тока накачки а также получена зависимость времени переключения поляризации лазерного излучения при изменении тока накачки от параметров лазера, что позволяет оптимизировать лазерную структуру для получения быстрого (порядка десятков пикосекунд) переключения поляризации лазерного излучения.

5. Предложен способ плавной перестройки поляризации излучения полупроводникового лазера при постоянной мощности излучения путем "двойной" модуляции (током накачки и изменением фактора ограничения), что позволит исключить влияние случайно возникающей поляризационной селективности оптического волокна на стабильность работы волоконно-оптических линий связи.

6. Разработан экспресс-метод регистрации коротких (~10пс) световых импульсов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. М.Очиай, Э.У.Рафаилов, А.Г.Дерягин, В.И.Кучинский, Е.Л.Портной, А.Мужуд, Г.С.Соколовский, Х.Темкин, "Пикосекундные 1пР фотоприемники, полученные методом глубокой имплантации тяжелых ионов". Письма в ЖТФ, 1995, 21, с. 7277.

2. А.Г.Дерягин, В.И.Кучинский, Г.С.Соколовский "Релаксационные колебания в InGaAsP/InP (Х=1.55 мкм) гетеролазерах с насыщающимся поглотителем". Письма в ЖТФ, 1996, 22, с.44-49.

3. G.S. Sokolovskii, E.U. Rafailov, A.G. Deryagin, V.I. Kuchinskii, E.L. Portnoi, M. Ochiai, H. Temkin "Picosecond InP photoconductors produced by deep implantation of heavy ions" SPlE's anual meeting proceedings, Denver. Colorado USA, 4-9 August 1996, v.2816, p. 106-109.

4. Г.С.Соколовский, А.Г.Дерягин, В.И.Кучинский "К вопросу о времени переключения поляризации излучения полупроводникового лазера". Письма в ЖТФ, 1997, 23(9), с.87-95.

5. A.G. Deryagin, V.I. Kuchinskii, G.S. Sokolovskii, D.V. Kuksenkov, H. Temkin "1.5 цт multiquantum well four-wavelength DFB laser array for multigigabit/s high-density WDM system applications", Proceed, of Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 23-27 June 1997, pp.180-182.

6. M.A.Kaliteevski, E.L.Portnoi, G.S.Sokolovskii, J.S.McKillop, "Phase effects in grating coupled surface emitting laser diodes", Proceed, of Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 23-27 June 1997, pp.191-194.

7. М.А.Калитеевский. Е.Л.Портной, Г.С.Соколовский "Фазовые эффекты в полупроводниковом лазере с дифракционным выводом излучения", Письма в ЖТФ. 1997, 23(18), с.7-11.

ОП ПИМаш, зак.б, тир. 100, уч.-изд. л. I; 20/11-1998г. Бесплатно