Моделирование процессов в многоэлементных фазированных инжекционных лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ПД ФИЗИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.373

РЖАНОВ Алексей Георгиевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРАХ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре физики колебаний физическог факультета МГУ

Научный руководитель : доктор физико-математических наук,

гтгчНРюрпп-п А Р ТГгч'Пгагигчтэ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.В.Малов;

часов на заседании специализированного совета К 053.05. физического факультета МГУ по адресу:

119899, Москва, Ленинские горы, физический факультет N

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическс факультета МГУ.

кандидат физико-математических наук, В.П.Коняев.

Ведущая организация: Московский авиационный институт

Защита состоится

им.М.В.Ломоносова, ауд $>

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

Лебедева И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техника полупроводниковых инжекционных лазеров находится в процессе всестороннего развития. Эти приборы уже используются во многих областях науки и техники. Прежде всего это относится к волоконно-оптическим линиям связи, где инжекционные лазеры незаменимы в качестве источников световых сигналов. К их основным достоинствам следует отнести высокий кпд, простоту осуществления накачки и модуляции излучения, высокое быстродействие, малые размеры прибора, незначительную потребляемую мощность, долговечность, возможность монолитной интеграции с другими полупроводниковыми приборами. Однако, широкое применение инжекционных лазеров зачастую ограничивается сложностью технологии изготовления, малой выходной мощностью излучения при широкой диаграмме направленности, явлениями нестабильной генерации, существенным разбросом параметров от прибора к прибору и некоторыми другими {акторами.

Шагом вперед по пути решения сложившихся проблем можно считать появление многоэлементных и других сложных лазерных структур, которые требуют проведения исследований по динамике и кодовому составу излучения, модельных экспериментов. Основная ядея интеграции заключается в осуществлении привязки фаз (фазировке) отдельных элементов, входящих в единый прибор. 5азировка приводит к сужению диаграммы направленности и спектра лзлучения, увеличению мощности, что является результатом когерентного сложения полей связанных излучателей.

Цель работы.

1. Создание распределенной динамической модели инжекционного лазера с неоднородной поперечной геометрией и исследование ее возможностей для практических применений.

2. Изучение с помощью компьютерного и аналитического моделирования модовой структуры и возможных режимов генерации в сложных лазерных структурах при различной накачке и внутренних параметрах этих приборов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

Разработана новая реализация аналитической и численной моделей инжекционного лазера со сложной поперечной геометрией, учитывающая пространственное перераспределение носителей в динамике, что дало возможность выявить ряд механизмов, отвечающих за вид того или иного переходного процесса.

Предложена методика частичного решения обратной задачи динамики: определения волноводного параметра лазера по экспериментальным спектрохронограммам автомодуляционного процесса.

Найден новый подход к классификации и описанию супермод в многоэлементных инжекционных лазерах.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты могут быть применены для изучения широкого класса неоднородных в поперечном направлении инжекционных лазеров с разнообразной волноводной структурой. Кроме того, метод определения волноводного параметра позволяет сразу из эксперимента получать практические оценки качества изготавливаемых приборов. Выведенные в работе соотношения, описывающие баланс энергии при генерации поперечных мод, представляют интерес для теоретического описания активных

гических волноводов и инжекционных лазеров.

На защиту выносятся следуюцие основные положения:

Создана и исследована самосогласованная распределенная тематическая модель инжекционного лазера со сложной теречной геометрией, реализованная в виде действующей лпьютерной программы .

Методом численного моделирования установлено, что механизм эстранственного выжигания носителей может приводить как к томодовому автомодуляционному процессу, так и к многомодовым зцессам (изменение порядка генерируемой мода, попеременная «рация двух поперечных мод и др.).

.Получены аналитические соотношения, описывающие зрге.тический баланс поперечных мод в процессе генерации. На зове указанных соотношений выявлено определяющее влияние лноводного параметра на вид переходного процесса в приборах з бокового оптического ограничения и разработан метод ределения этого параметра инжекционного лазера по зпериментальным зависимостям мощности и частоты излучения от змени с точностью ~ 15%.

Установлена тождественность результатов • описания модового става излучения многоэлементных приборов как при пользовании теории связанных мод, так и волновой теории, казано, что супермоды в многоэлементных инжекционных лазерах рмируются при взаимодействии между поперечными модами одного рядка, возбуждающимися в отдельных элементах лазера.

Апробация работы. Основные результаты диссертации кладывались на научных семинарах кафедры физики колебаний зического факультета МГУ, на научной конференции

"Ломомосовские чтения" в МГУ, на Международных и Республиканских конференциях (Таллин, 1987; Минск, 1988; Вильнюс, 1989)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объеи диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 129 страниц, включая 30 страниц рисунков, три таблицы и список литературы из 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований модовой структуры и динамики излучения многоэлементных фазированных инжекционных лазеров, сформулирована цель работы и дано краткое содержание работы по главам.

В первой главе сделан обзор литературы, . в котором рассмотрены характеристики одиночных, а затем многоэлементных инжекционных лазеров. Обращено внимание на физические процессы, определяющие параметры приборов на основе СаА1Аз и МаАШ двойных гетероструктур, работающих при комнатной температуре и представляющих собой перспективный класс ИЛ. На основе литературных данных описаны различные структуры многоэлементных инжекционных лазеров, характеристики и- режимы работы таких приборов. Изложены некоторые теоретические результаты расчета характеристик излучения инжекционных лазеров. Отдельно рассматрены базовые элементы многоэлементных инжекционных

газеров и способы фазировки их излучения, формирования щаграммы направленности, генерации коротких световых атульсов, различные виды бистабильности и управления 1злучением этих приборов. Приведена сводная таблица экспериментальных работ, в которой представлены основные сарактеристики приборов с момента первых сообщений о реализации гаких устройств.

Во второй главе исследована проблема создания адекватных «оделей инжекционных лазеров и предложена динамическая модель, гчитывающая пространственные эффекты взаимодействия лазерного 1злучения и активной среды. Для этого приводятся варианты юзможных моделей лазеров, обсуждаются сделанные допущения и возможности этих моделей. Описаны протекающие в инжекционных газерах физические процессы, детально рассмотрены способы задания геометрии и режима работы прибора. Даны описания оптической части модели, методика численного решения волнового сравнения и полный алгоритм динамической модели.

Разработанная модель основывается на известной системе распределенных скоростных и волнового уравнений и содержит еще 21 соотношение, связывающие различные параметры зреды и излучения.

Основные закономерности переходного процесса в ИЛ удобно анализировать с помощью уравнения: 2 Im(wj) 2 Im(ß) Im(£j)

- ----г--(4)

Re(ü)j) Re(ß) Re(gj)

, вывод которого изложен в Ш.

Это уравнение можно переписать в виде:

- а -

1/Ч/ = и®иэл + (5)

где = = йе(р)/21яф),

Im(Sj)/Re(ëj), е^ - средняя по профилю /-ой мода эффективная

комплексная диэлектрическая проницаемость волновода.

Полученное выражение описывает баланс усиления и потерь лазерных мод. В левой части (4) и (5) стоит величина, обратная добротности ,/-ой моды, в правой - потери на излучение с зеркал и эффективный тангенс угла потерь (усиления) моды, описывающий активные свойства резонатора лазера. Отрицательные значения {¿(б^) соответствуют усилению, положительные - затуханию данной мода.

В третьей главе исследованы динамические' процессы и структура поперечных мод в двухэлементных инжекционных лазерах с диссипативным и рефрактивным оптическим ограничением. Отдельно рассмотрены случаи одномодовой амплитудно-частотной автомодуляции излучения [81 и двухмодовых процессов (понижение порядка генерируемой поперечной мода и попеременная генерация двух соседних поперечных мод). Показано соответствие расчетного режима понижения порядка генерируемой поперечной моды существующим экспериментальным данным, полученным с помощью метода электронно-оптической хронографии. Расчетные хронограммы ближнего поля излучения двухэлементного лазера для режимов понижения порядка генерируемой и попеременного включения двух мод показаны на рис.1 и рис.2 соответственно.

Рис.1. Расчетная хронограмма ближнего поля излучения двухэлементного инжекционного лазера при понижении порядка генерируемой мода.

0.5 О.Ь 0 7

1 КЛЧ

О 6

Рис.2. Расчетная хронограмма ближнего поля излучения двухэлементного инжекционного лазера при попеременной генерации двух поперечных мод.

Предложен метод определения волноводного параметра р, основыванный на выведенном в данной главе соотношении, связывающем р с девиациями частоты Лш и усиления АО лазерной мода [6]:

р » 2 Д ш / Л в . (6)

Получена линейная зависимость в(Ь) ) между точками поворота модовых траекторий. Приведенные выкладки позволяют предложить метод экспериментального определения р. Величины Дш и АО могут быть измерены. Дш - динамическая ширина линии генерации данной мода, перекрывающая линию резонатора. Величину Ав можно определить по экспериментальной зависимости интенсивности излучения от времени при одномодовом

автомодуляционном процессе:

ДО и 2 шаг

Таким образом: р м-

д 1п(1) д г

Дш

таг

в 1п{1) д t

(V)

(8)

Был проведен проверочный расчет р , в котором в качестве данных были взяты результаты численного моделирования. Расчет показал, что, учитывая современные возможности регистрацю параметров быстропротекающих процессов, этот метод може1] обеспечить точность не хуже 15%.

Предложенный метод хорош для определения р в лазерные структурах без бокового оптического ограничения, т.к. именнс в этом типе лазеров наблюдается автомодуляция излучения вызванная пространственным выжиганием носителей.

В четвертой главе обсуждаются вопросы формирована

?руктуры поперечных мод в инжекционных лазерах с числом юированных излучателей более двух. В частности исследована 'руктура поперечных мод в трехэлементных приборах с ¡ссипативным и рефрактивным боковым оптическим ограничением и пличной степенью связи между волноводами. По результатам »счетов проведена идентификация поперечных мод с ¡упермодами", получаемыми в результате расчета по теории ¡язанных мод.

Структура ближнего поля лазеров с числом элементов больше ¡ух имеет более сложный вид, чем в случае двухэлементных «боров. Но особенности, характерные для двухэлементных :зеров, прослеживаются и здесь. Во-первых, наблюдается 1зделение решений волнового уравнения на два класса мметричные и несимметричные. Во-вторых, можно выделить перечные моды с преимущественно рефрактивным механизмом «ализации поля (п - моды) и диссипативным механизмом ^ -да). В-третьих, существуют "вырожденные" поперечные моды, 'торые можно идентифицировать с модами одного из элементов.

Многоэлементные инжекционные лазеры с числом элементов 'льшим двух показывают также и качественно новые особенности дового состава. Во-первых, это - существование типичной руктуры супермод; во-вторых, ярко выраженное отличие приборов боковым оптическим ограничением и без него.

Из расчета следует, что частоты поперечных мод элементов и пермод, из них составленных, совпадают с точностью до малого стотного расщепления. Этот факт явился причиной для ъяснения существования фазированного режима лазера с помощью аимодействия поперечных мод элементов. Указанный факт впадения частот убедительно доказывает, что образующий

супермоду фазированный набор поперечных мод элементов есть не что иное, как сложная поперечная мода составного многоканального лазерного волновода, которой соответствует вполне определенное собственное значение волнового уравнения. Появление взаимодействия между модами соседних элементов добавляет новые решения волнового уравнения. Супермода в многоэлементных инжекционных лазерах формируются при взаимодействии меаду поперечными модами одного порядка, возбуждающимися в отдельных элементах лазера. Набор мод многоэлементных лазеров не ограничивается супермодами. Существуют решения волнового ураванения, которые никак не подходят под определение супермоды, так как образованы, как бы, из ПМ различных порядков, поэтому иногда супермодой называют любую ПМ составного волновода МФИЛ. Очевидно, что часть этих мод не может быть рассчитана по теории связанных мод. Поэтому такое определение нелогично.

Итак, в данной главе на основе численного моделирования мы продемонстрировали подход к пониманию природы супермод и связи между различными вариантами их физического описания.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Создана математическая модель инжекционного лазера со сложной поперечной геометрией, реализованная в виде действующей компьютерной программы объемом около 1000 операторов.

2. На основе разработанной модели исследована структура и

динамика поперечных мод в двух- и трехэлементных фазированных инжекционных лазерах. Установлено, что механизм пространственного выжигания носителей может приводить как к одномодовому автомодуляционному процессу, так и к многомодовым процессам (изменение порядка генерируемой моды, попеременная генерация двух поперечных мод). Показано хорошее совпадение результатов моделирования с существующими экспериментальными данными по динамике излучения многоэлементных инжекционных лазеров.

3. Получены аналитические соотношения, описывающие энергетический баланс поперечных мод в процессе генерации. На их основе разработан метод определения волноводного параметра инжекционных лазеров без бокового оптического ограничения по экспериментальным зависимостям мощности и частоты излучения от времени с точностью ~ 15%, что примерно соответствует разбросу технологических параметров изготавливаемых приборов. Типичные значения волноводного параметра лежат в пределах 2-6.

4. Установлено, что супермода в многоэлементных инжекционных лазерах формируются при взаимодействии между поперечными модами одного порядка, возбуждающимися в отдельных элементах лазера. Исследования закономерностей формирования структуры поперечных мод в трехэлементных лазерах показывает связь между теорией связанных мод и волновой теорией при описании оптического поля в многоэлементных лазерах, что дает возможность объединения идеологий указанных теорий.

5. Установлено существование вырожденных по частоте асимметричных поперечных мод в симметричных структурах многоэлементных инжекционных лазеров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Логгинов A.C., Ржанов А.Г., Еленский В.Г. Многоэлементныо полупроводниковые лазеры. - Зарубежная радиоэлектроника, 1986, № 8, С.49-64.

2. Виноградов И.П., Логгинов A.C., Пак Г.Т., Ржанов А.Г., Сенаторов К.Я. Переходные процессы в двухэлементных инжекционных лазерах на основе двойной гетероструктуры. В сб: Полупроводники и гетероперехода, п/р А.И.Розенталя, 1987, Таллин, "Валгус", С.19-20.

3. Виноградов И.П., Логгинов A.C., Ржанов А.Г., Петракова Т.В., Сенаторов К.Я. Экспериментальное исследование динамики излучения многоэлементных инжекционных лазеров с гетеропереходоми. В сб: Полупроводники и гетеропереходы, п/р А.И.Розенталя, 1987, Таллин, "Валгус", С.22-24.

4. Логгинов A.C., Ржанов А.Г. Энергетический подход к описанию генерации поперечных мод в инжекционных лазерах. Вестн. Моск. Ун-та, Сер.З (Физика.Астрономия.), 1988, т.29, N6, С.20-24.

5. Логгинов A.C., Ржанов А.Г. Нелинейная рефракция в двухэлементных инжекционных лазерах. Тезисы докладов XIII Межд. конф. по когерентной и нелинейной оптике, 1988, Минск, 4.II, С.289-290.

6. Логгинов A.C., Ржанов А.Г. Определение волноводного параметра по характеристикам излучения инжекционного лазера. Тезисы докладов конф. "Физика полупроводниковых лазеров", 1989, Вильнюс, С.186-187.

7. Логгинов A.C., Ржанов А.Г. Методика численного моделирования динамических процессов в инжекционных лазерах. Деп.ВИНИТИ,

№6475-В89, Москва, 1989, илл., С.34.

8. Логгинов A.C., Ржанов А.Г. Амплитудно - частотная автомодуляция излучения в инжекционных лазерах. Доклада АН СССР, 1989, Т.309, Xß, C.I552-I559.