Спектр излучения С3-лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

ОД - • ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) -----------------------------

ЛИХАЧЕВ Игорь Геннадьевич

СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ СЯ-ЛАЗЕРА

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата . физико-математических наук

На правах рукописи

МОСКВА -

1995 г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете). ; ;

Научные руководители: Быковский Юрий Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Дедушенко Константин Борисович кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты: Якубович Сергей Дмитриевич

доктор физико-математических наук, старшин научный сотрудник -

Васильев Петр Петрович кандидат физико-математических " • . наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: НПО "Мнкролазер" \-1ЦЦ "Пользе

Защита состоится " '/¿Г" и^а/утл 1995 г. в_часов_минут на

заседании диссертационного совета К053.03.08 в в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете), по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31. тел. 324-84-98, 323-91-67. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан "/О ¿J 1995 г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета t

к.ф.-м.н., с.н.с. С.Т.Корнилов

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

: Актуальность. Происходящее в - настоящее - время интенсивное развитие высокоскоростных волоконно-оптнческнх систем связи стимулирует поиски полупроводникового лазера, который сохранял бы одномодовость оптического спектра в условиях прямой токовой модуляции. Как известно, обычный ннжекцнонный лазер с резонатором Фабрн-Перо при модуляции тока излучает несколько продольных мод, демонстрируя широкий оптический спектр, что нежелательно из-за дисперсионных свойств волокна. Кроме этого, шум, возникающий в лазере с резонатором Фабрн-Перо е результате взаимодействия мод, усиливается из-за хроматической дисперсии волокна. Эти факторы существенно ограничивают пропускную способность каната передачи информации. Поэтому значительные усилия разработчиков концентрируются сейчас в области создания инжекцнонных лазеров, сохраняющих одномодовую генерацию при высокочастотной модуляции тока. К ним относятся, например, лазеры с распределенной обратной связью, с распределенными брэгговскими отражателями, с ннжекцией внешнего захватывающего сигнала, с внешним-резонатором и с коротким лазерным резонатором.

Одним из решений проблемы является лазер с составным резонатором со связью через сколы, обозначаемый аббревиатурой "С3-лазер" (Cleaved-Coupled-Cavity Laser). Прибор представляет собой два инжекцнонных лазера с резонаторами Фабри-Перо различной длины, расположенных соосно и разделенных воздушным промежутком шириной в несколько микрометров. Свойства излучения такого источника в значительной степени определяются сильным оптическим взаимодействием составляющих его резонаторов.

Основные его достоинства состоят в следующем: •. Высокая чистота спектра., (одномодовость), сохраняющаяся при высокоскоростной модуляции тока инжекции. . • Возможность электронного управления частотой излучения; широкий диапазон перестройки оптической частоты.

• Компактность прибора; отсутствие объемных оптических элементов, обеспечивающих селекцию продольных мод.

• Расширенные возможности реализации электронных и оптоэлектронных методов контроля и стабилизации параметров излучения.

Таким образом, С3 -лазер обладает целым рядом достоинств, делающих его привлекательным для приложений источником излучения.

Актуальность диссертации обусловлена потребностью оптических систем обработки и передачи информации в источнике излучения, обеспечивающем их высокую эффективность;

Цель настоящей работы состоит в исследовании инжекционного лазера с составным резонатором со связью через сколы (С3 -лазера), ¿зависимости' спектра его излучения от геометрических и физических параметров лазера. : ;

Научная новизна. Впервые экспериментально исследован спектр излучения С3 -лазера с регулируемой величиной , зазора между составляющими его секциями. Представленные результаты содержат детальное описание поведения основных характеристик излучения " (мощности мод, оптической частоты генерации, ширины спектральной линии излучения, модового шума) при изменении токов инжекцни и величины зазора между секциями составного резонатора. Дан теоретический анализ экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы. В диссертации показано, что С3 -лазер представляет собой источник одномодового излучения с оптической несущей, легко переключаемой прямой модуляцией тока инжекции. Функциональные возможности С3 -лазера позволяют использовать его в качестве излучателя в протяженных системах связи с высокой пропускной способностью, оптических системах обработки информации и системах коммутации. Результаты диссертации позволяют оптимизировать геометрические и физические параметры С3 -лазера и выбрать его рабочий режим в соответствии с требованиями конкретного практического применения.

Основные положения, выносимые на зяшнту.

1. Теоретически и экспериментально показано, что С3 -лазер представляет собой источник оптического излучения с . дискретно перестраиваемой в широких пределах частотой генерации, перспективный

' для применения в оптических системах связи и обработки информации.

2. Показано, что изменение величины зазора между секциями С3 -лазера вызывает переключения генерирующей моды. Обнаружены следующие закономерности:

а) При произвольной величине зазора любая заданная мода (из диапазона перестройки) может быть включена соответствующим выборок!

- тока инжекции секцпи-модулятора. -

б) Оптимальная величина зазора лежит вблизи точки его максимальной прозрачности; В этом случае достигается максимальный диапазон перестройки оптической частоты и максимальная дискриминация побочных мод (при фиксированном токе .инжекцип основной секции).

в) Направление переключений частоты генерации, происходящих с ростом тока инжекцип модулятора, не зависит от выбора величины зазора и определяется соотношением длин секции С3 -лазера.

3. Интегральная по спектру мощность излучения испытывает незначительные (амплитудой -10% от среднего значения) осцилляции при

. изменении величины зазора или тока ннжекции модулятора (до превышения им собственного порога).

4. Ватт-амперная характеристика моды С3 -лазера, имеет вид максимума, положение и величина которого регулируются выбором тока

. ннжекции модулятора и зазора между . секциями. Ватт-амперная характеристика интегральной по спектру мощности излучения не зависит от тока ннжекции модулятора до приближения последнего к его собственному порогу.

5. Вариация токов инжекцип С3 -лазера вызывает глубокую модуляцию ширины спектральной линии его излучения. В работе показано, что;

а) Минимальная ширина линии достигается при величине зазора, соответствующей его максимальной прозрачности (в условиях

..фиксированной, мощност» излучения) и при токе модулятора, не превышающем его собственного порога.

б) В оптимальном режиме работы С3 -лазер демонстрирует спектральную, линию . более, чем вдвое, узкую в сравнении с линией соответствующего лазера с резонатором Фабри-Перо, работающего при

' тон же полной мощности излучения.

в) При произвольной величине зазора между секциями С3 -лазера соответствующий выбор токов ннжекции позволяет установить

. спектральную линию более узкую, чем линия лазера с резонатором Фабри-Перо, работающего при той же полной мощности излучения.

.6. Радиочастотный спектр амплитудного шума моды С3 -лазера монотонно убывает в диапазоне уастот 1-100 МГц. Дисперсия этого шума достигает, максимума, когда выбор токов инжекции и величины зазора

-5-

делает равными средние по времени мощности конкурирующих мод и -минимума - при настройке лазера на одномодовый режим генерации.

7. Введение в составной лазерный резонатор дополнительной третьей секции расширяет диапазон перестройки оптической частоты и увеличивает максимальную дискриминацию побочных мод.

Апробапия работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Таллин, 1987г.), V Всесоюзной школе-семинарс молодых ученых и специалистов "Проблемы совершенствования устройств и методов приема, передач» и обработки информации" (Звенигород, 1988 г.), I Всесоюзной конференции по оптической .обработке информации (Ленинград, 1988г.), Научно-технической конференции "Оптоэлектронныс методы и средства обработки информации" (Винница, 1988г.), Республиканской научной конференции "Физика полупроводниковых лазеров" (Вильнюс, 1989 г.), II Всесоюзной научно-технической ' конференции . "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990г.), I Всесоюзной конференции по интегральной оптике (Ужгород, 1991 г.),

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ; из них 7 - тезисы Всесоюзных и Республиканских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 99 наименований. Материал изложен на 151 странице, включая 49 рисунков и 2 таблицы.

Диссертация начинается с обзора публикации, посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям инжекционного лазера с составным резонатором (С3-лазера). Обзор экспериментальных работ выполнен в хронологическом порядке. Анализ публикаций позволяет выделить следующие возможные режимы использования С3-лазера:

• высокоскоростная амплитудная модуляция излучения лазера, генерирующего единственную продольную моду;

• модуляция частоты излучения без сопутствующей амплитудной модуляции;

• оптоэлектронная реализация логических операций;

• реализация многоканальных систем оптической коммутации;

• реализация И-канальной 2м - уровиевой системы передачи информации с частотной манипуляцией; . - - ----------

• использование спектральной бистабнлыюсти в системах с частотной манипуляцией; -

• электронное стробированне оптических импульсов, получаемых активной синхронизацией мод. _ ......

Таким образом, дополнительные степени свободы, осуществляемые в лазере с составным резонатором, значительно расширяют возможное™ управления параметрами оптического излучения. Перечисленные выше режимы • эксплуатации С'-лазера свидетельствуют о перепек гшшосш прибора и необходимости его детального исследования. В обзоре теоретических моделей С3 -лазера, представленных в литературе, сделан акцент на достоверности физических предположений, положенных в пх основу. Анализ публикаций показал, что корректная динамическая модель С3 -лазера, учитывающая многомодовость его спектра, в настоящее время отсутствует. Объективная сложность задачи состоит в специфике резонаторов инжекционных лазеров, которая выражается в существенной комплексности диэлектрической проницаемости лазерной среды и заметном отличии от единицы коэффициента отражения зеркал резонатора. Первое свойство делает неэрмптовым дифференциальный оператор, описывающий динамику электромагнитного поля, а второе означает наличие больших потерь на зеркалах. Эти особенности резонатора приводят к отсутствию полноты системы его собственных функций (мод) и требуют пересмотра самого понятия "мода". Отмеченные трудности не нашли должного разрешения и в теории лазера с резонатором Фабри-Перо;: лазер с составным резонатором их лишь - усугубляет ввиду : принципиальной необходимости учета пространственного перераспределения электромагнитного поля во времени. Поэтому, как - правило,- в теориях . С3-лазера . присутствуют эвристические предположения, обоснование и оценка погрешности которых отсутствует.

Предложенная в диссертации теоретическая модель С3 -лазера описывает стационарный режим генерации и предполагает отсутствие спонтанного излучения, что обеспечивает одномодовость оптического спектра. Эти ограничения области применимости теории позволяют обойти перечисленные выше трудности и в то же время корректно описать основные экспериментальные результаты. Цель расчетов состояла в вычислении дискретной и непрерывной перестройки оптической

" -7-

частоты,сопутствующей амплитудной модуляции излучения и разработке рекомендаций по выбору оптимальной геометрии резонатора С3 -лазера.

секция 2

секция 1

PllC. 1

На рис.1 показано схематическое изображение С3 -лазера. Здесь Р* -мощность излучения основной (m-й) моды, Lj -длины секций составного резонатора (/= 1 отвечает основной секции, 7=2 -секции-модулятору ); Ls -величина зазора между секциями.

Состояние С3 -лазера задается решением следующей системы уравнений:

(0;

"V Л ,rs " У

+ «Л>/(я2,ЛКГ = О (3);

-^-Î-J-v.U.+OMe^KГ-о (2);

dn2 1, пг 4 dt ~ е т, I,

где обозначено ,

I , l-z-rcxp^/?,,^)

Wa--/ д , \ и).

а выходная мощность определяется по формуле:

(5). .

Здесь Pjm - комплексная постоянная распространения волны в j-й секции; rs и tg -амплитудные коэффициенты отражения и пропускания зазора, г -амплитудный коэффициент отражения наружных зеркал; nj -число неравновесных носителей заряда в j-й секции; Ij -ее ток инжекции; rs -спонтанное время жизни носителей заряда; vg -групповая скорость моды; gjm -полное модовое усиление в j-й секции; adu - распределенные модовые потери; А,п и со,„ - амплитуда и оптическая частота моды. М(х) -известная медленно-меняющаяся функция, значения которой близки к единице.

Система уравнений (1), (2), (3), среди которых первое - комплексно, а два других - вещественны, однозначно определяет рабочую точку С3 -лазера, задаваемую четырьмя числами. (•«;:.,. /¡2 , сдт , 1А,„12 ). Таким образом, изменяя внешние параметры задачи токи // , /2 , мы можем вычислить перестройку частоты и мощности излучения. Уравнение (1), называемое секулярным, есть условие существования ненулевого электромагнитного поля в лазере в отсутствие спонтанного излучения. Правая часть этою уравнения служит характеристикой величины связи между секциями. Расчет коэффициентов гн и проведен с учетом многократных отражений волны в зазоре и ее дифракции. Важную роль в выборе оптимальной величипы зазора играет фаза 6 , определяемая формулой ■

Величина 1&П |, как это видно из ее определения (4), является мерой доминирования секции-модулятора над основной секцией (обычно 1Хт|«1)- Ее присутствие в уравнении (3) вносит нелинейность в зависимость т (Ь )■ Эта зависимость была бы линейной в случае изолированного модулятора, работающего ниже собственного порога. Таким образом, для волны, падающей из основной секции, модулятор является нелинейным зеркалом. Температурные зависимости линии усиления и модового показателя преломления каждой из секций в модели учтены.

Результаты численных расчётов показали следующее.

Увеличение тока инжекцип модулирующей секции вызывает дискретные переключения частоты генерации. Направление этих переключений определяется соотношением длин секций С3 -лазера и не зависит от величины зазора:между ними. При ¿2 <£/ переключения идут в сторону низких частот, а при ¿2 ">Ц -в сторону высоких частот. Сопутствующая перестройке частоты амплитудная модуляция невелика -она не превышает 20% на весь диапазон изменения тока модулятора, . который варьировался от нуля до 90% собственного порога.

Изменение тока модулирующей секции приводит также к тонкой перестройке частоты моды. Характерные значения девиации частоты составляют 0,01 - 0,1 от межмодового интервала основной секции. Расчеты проведены при величинах зазора , где Л - длина волны

излучения.

Зазор между секциями С3-лазера, имеющий <5=0 (см. (6)), является оптимальным. Эта точка близка к точке максимальной прозрачности

зазора. Данный выбор обеспечивает наибольшее подавление побочных мод в спектре и максимальный диапазон дискретной перестройки частоты.

Оптимальный выбор соотношения длин секций составного резонатора определяется следующими физическими ограничениями. При большом отклонении ¿2 от в спектре возникает так называемая повторная мода, существенно' ухудшающая его чистоту. В этом случае лазер будет иметь тенденцию к двухмодовой генерации. Приближение ¿2 к Ь] увеличивает мощность излучения ближайших сателлитов основной моды, что также нежелательно. Однако здесь имеется определенное преимущество: приближение ¿2 к ¿/ увеличивает диапазон дискретных переключений частоты. Выбор длин секций С3-лазера есть компромисс между указанными выше факторами.

В экспериментальной части работы исследовались С3-лазеры на основе СаА1А5 с /1=0,85 мкм и на основе 1пСаМР с Я=1,3 мкм. Оптическая часть экспериментальной установки представляла* собой спектрометр на базе дифракционной решетки (1200 штрих/мм), обеспечивавшего разрешение ~1А. Дальнейшее улучшение спектрального разрешения, необходимое для измерения тонкого сдвига частоты, достигалось введением в схему интерферометра Фабри-Перо (с базой 8 -14 мм). Измерение спектральной ширины линии излучения проводилось конфокальным ' сканирующим интерферометром, имеющим свободный спектральный интервал Р5Я=1,36 ГГц и резкость /-МО. Необходимая оптическая развязка ' достигалась ослабляющими фильтрами, обеспечивавшими ослабление мощности пуч^ за полный проход г./.а.и58дБ.

Конструктивно исследовавшиеся С3-лазеры подразделяются на три основных типа. Лазеры первого типа получались раскалыванием кристалла без повреждения нижней золотой фольги, служившей общим для двух секций отрицательным контактом. Далее С3-лазер устанавливался на общую иодложку-хладопровод. Достоинствами данной конструкции являются отличное оптическое согласование секций, малая величина зазора (<5мкм), хорошая долговременная стабильность зазора. Недостатки ее состоят в неизвестности величины зазора и отсутствии возможности его регулирования. Возможность регулирования величины зазора между секциями допускали С3-лазеры второго типа. Каждая из секций С3-лазера располагалась на своем механическом столике; общим для секций был рельс, на котором крепились столики. Один из столиков имел пьезокерамическое кольцо, позволявшее варьировать продольную

-10-

координату секции. Достоинствами конструкции являются простота и плавность регулировки зазора, однако она не обеспечивает необходимой

временной стабильности величины - зазора. Третий тип С3-лазеров- был--------------

призван совместить достоинства первых двух конструкций и избежать присущих им недостатков. Эта ц£ль была достигнута с помощью специально разработанного транслятора, представляющего собой цельнометаллическую конструкцию, похожую на ножницы. На коротких плечах транслятора устанавливались секции С3-лазера; длинные плечи соединялись дифференциальным винтом, служившим регулятором величины зазора. Данная конструкция обеспечила хорошее оптическое .'. согласование полноводных . каналов секций, . малую величину зазора, плавность его регулировки и отличную временную стабильность.'

7 6 5

;.'■.,I «

| 3 2 1 О

20 40 60 80 100

ток модулятора, мА

Рис.2

На рис.2 показано поведение частоты наиболее яркой в спектре моды лазера С3261185 при увеличении тока 1г модулятора ( здесь //=74 мА, ¿/=196 мкм, ¿2=158 мкм ). Как и предсказывает теория, рост тока модулятора вызывает последовательные переключения частоты в сторону ее уменьшения. В области малых токов (/¿<40 мА) спектр пе является одномодовым, что объясняется недостаточным для эффективной селекции мод оптическим усилением в модуляторе. Соотношение длин секций здесь следует признать удачным, поскольку диапазон дискретных переключений частоты, измеренный в межмодовых интервалах, не превышает расчетного номера повторной моды Р=5.

У С3-лазеров с противоположным соотношением длин секций (при ¿2 >!/) наблюдаются последовательные переключения частоты в сторону ее увеличенпия. Эксперименты с С3-лазерами с регулируемым зазором показали независимость направления переключений частоты от величины зазора между секциями. Возможность изменения зазора позволила выяснить его оптимальную величину. Обнаружено, что вблизи точки его максимальной прозрачности (при &0) достигается максимальный диапазон перестройки частоты и максимальная дискриминация побочных мод. Отмеченные закономерности выполняются как для С3-лазеров на основе СаА1А.к, так и на основе ЬгСаАхР.

Описанные выше наблюдения относятся к области токов модулятора, не превышающих его порога. За порогом модулятора частота генерации ведет себя более сложным образом: количество переключений на заданном интервале токов уменьшается; направление переключений не подчиняется простому правилу; чистота спектра обычно ухудшается.

' ^яйэдцдыОДеЬ* (ТТЛ

\uIIZli

Рис.3

Наиболее полное представление о поведении спектра дают так называемые перестроечные характеристики (ПХ), представляющие собой зависимости мощности мод от тока модулятора. Набор таких кривых для всех мод позволяет провести непрерывное наблюдение эволюции спектра. На рис.3 показана ПХ моды 4 лазера С3261185 (//.=74 мА, /г-сканируется от 20 до 100 мА). Мощность моды есть осциллирующая функция тока модулятора. Глубина ее осцилляций возрастает при увеличении тока /г, что объясняется ростом усиления в модулирующей секции. Максимумы кривых, относящиеся к разным модам," смещены друг относительно друга, что и отражает процесс переключений. Переключение генерации с моды на моду требует малого (~1 мА) изменения тока модулятора. "Период" отдельной ПХ возрастает с увеличением тока ¡2, что объясняется

возрастанием роли температуры активной среды в эволюции показателя преломления модулятора. Обнаружено, что эти закономерности справедливы -для- С3-лазера с произвольной — величиной зазора. Непрерывное изменение зазора показало, что ПХ всех мод с ростом ; зазора сдвигаются, деформируясь, в область больших токов модулятора, воспроизводя начальную картину через интервал Эта тенденция

имеет место независимо от соотношения длин секций С3-лазера.

Ватт-амперные характеристики (ВАХ) С3-лазера представляют собой зависимости мощности излучения от тока инжекции основной секции. Как показали эксперименты, ВАХ моды С3-лазера имеет качественно такой же вид, как и ВАХ.,моды. лазера с. резонатором Фабри-Псро. В обоих случаях ВАХ моды имеет один плавный максимум. Длй лазера с резонатором Фабрн-Перо максимумы более длинноволновых мод достигаются при больших значениях тока I/, что объясняется температурным сдвигом линии усиления в длинноволновую область спектра. Для произвольного С3-лазера это свойство не выполняется, что объясняется частотной зависимостью эффективных потерь, вносимых модулятором. В работе показано, что положение и величина максимума ВАХ моды С3-лазера зависят от выбора зазора между секциями и тока модулирующей секции. Обнаружено, что интегральная по спектру ВАХ С3-лазера нечувствительна к току модулятора ¡г при изменении последнего от нуля до 90% его порогового значения. При дальнейшем повышении тока ¡2 интегральная по спектру ВАХ равномерно (по всем [{) поднимается и на ней появляются изломы, обусловленные переключениями мод.

Некоторые С3-лазеры демонстрировали жесткий режим работы, в котором, существуют две устойчивые. рабочие точки с различной оптической мощностью при одинаковых внешних параметрах. Жесткое поведение демонстрировали, как правило, С3-лазеры с сильной оптической связью и при токах инжекции, превышающих собственные порош секций. Интегральная по спектру мощность в этом случае тоже демонстрирует жесткие переключения, однако их амплитуда значительно меньше, чем в любой из мод. • , :

Возможность электронного управления частотой генерации позволяет использовать С3-лазер совместно с каким-либо диспергирующим оптическим элементом в качестве логического устройства. Такое устройство является оптоэлектронным, поскольку его входные сигналы представлены электрическими импульсами, а выходные - оптическими. В

работе продемонстрирована реализация СЯ-лазером простейших логических операций, образующих функционально полную систему.

Дальнейшее развитие идеи С3-лазера приводит к многосекционным лазерам. В диссертации представлены результаты исследования спектра трехсекционного лазера на основе СаА1Аь\ Обнаружено, что при использовании средней секции резонатора* в качестве Модулирующей включение третьей секции вызывает расширение диапазона перестройки частоты с трех межмодовых интервалов до семи. Максимальная дискриминация побочных мод, достигнутая в трехсекционнОм лазере составила 270, что в 1,6 раза больше максимальной дискриминации, полученной при /;=0. Приведенные численные данные не являются предельными, поскольку геометрические параметры исследованного лазера не были оптимизированы. Теоретическая модель, позволяющая это сделать, в настоящее время отсутствует.

Было обнаружено, что в некоторых рабочих точках, мощность моды трехсекционного лазера представляет собой последовательность прямоугольных импульсов и является почти периодической функцией времени. Длительность импульсов можно было регулировать одним из токов инжекцнн; моменты переключения носили случайный характер, причем средняя частота следования импульсов не зависела от выбора токов, инжекции. Аналогичное поведение демонстрировали и. все остальные моды. Интегральная" по спектру мощность излучения от гремени не зависела, следовательно, рассмотренные пульсации представляют собой межмодовые, переключения.

Наряду с дискретной перестройкой частоты генерации в С3-лазере имеет место также и ее непрерывная перестройка. При' изменении тока инжекции модулятора частота моды демонстрирует сложное нелинейное поведение. Максимальная девиация частоты, наблюдаемая на опыте, составляет ~5ГГц, или 0,03 межмодового интервала основной секции. Сравнивая эти данные с результатами численных расчетов, мы обнаруживаем хорошее качественное согласие (предсказания теории дают нормированную девиацию частоты, лежащую в диапазоне 0,02 - 0,07, в зависимости от выбора геометрии С3-лазера). Для" точного совпадения необходимо детальное знание всех физических параметров лазера. Следует подчеркнуть преимущество С3-лазера в качестве источника ЧМ-сигнала в сравнении с Фабри-Перо-лазером. Изменение тока инжекции последнего неизбежно приводит к амплитудной модуляции излучения, которой практически лишен С3-лазер.

В работе показано;Что вариация токов иижекции и величины зазора между секциями изменяет в широких пределах спектральную ширину линии излучения. В.области малых значений тока модулятора зависимость ширины линии моды от тока имеет имеет вид глубокого минимума, положение которого на оси тока совпадает с положением максимума мощности моды. При дальнейшем увеличении тока модулятора ширина линии ведет себя более сложным образом: на один максимум мощности моды приходятся несколько осцилляций ширины линии. По-видимому, в этой области необходим . учет собственного спонтанного излучения модулятора и его оптической нелинейности. В тех интервалах тока инжекции модулятора, гае происходит переключение генерации с моды на моду, спектральная линия значительно (вдвое и более) уширяется. При произвольной величине зазора между секциями минимальная ширина линии наблюдается при токе модулятора, не превышающем его порогового значения. Удаление модулирующей секции позволило сравнить спектральную ширину линии С3-лазера с линией лазера с резонатором Фабри-Перо. Сравнение лроводилось при равных интегральных по спектру мощностях излучения и показало, что линия С3-лазера 4 уже линии Фабрн-Перо-лазера примерно вдвое. Наиболее узкая (по величине зазора) линия наблюдается при зазоре, настроенном на его максимальную прозрачность.

Исследование поведения шумов мощности мод С3-лазера в диапазоне частот 1 - 100 МГц показало следующее. Выбор рабочей точки (/;, /2, вблизи области переключения генерации с одной моды на другую приводит к заметному возрастанию шума интенсивности конкурирующих мод. Дисперсия модового шума достигает максимума, когда выбор рабочей точки делает равными мощности конкурирующих мод. Увеличение или уменьшение дисперсии шума при изменении внешних параметров происходит одновременно на всех частотах исследованного диапазона. Спектральная плотность шума мощности моды монотонно убывает в рассматриваемом диапазоне радиочастот. Изменение тока модулятора или величины зазора вызывает смещение спектральной кривой по вертикали без появления каких-либо особенностей. Настройка на одномодовую генерацию минимизирует модовый шум; при этом происходит падение спектральной кривой более, чем на 20 дБ на низких частотах.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. . Построена. теоретическая модель, описывающая стационарную генерацию С3 -лазера. Модель учитывает специфическую особенность

задачи - взаимное влияние друг на друга секций составного резонатора, определяющее режим совместной генерации. Расчеты дают согласующиеся с экспериментальными результатами предсказания дискретной и непрерывной перестройки частоты, а также - сопутствующей ей амплитудной модуляции излучения. Кроме этого, модель позволила выработать основные рекомендации по выбору геометрии С3 .-лазера (определяемой соотношением длин секций и величиной зазора между ними) с целью оптимизации его характеристик.

2. Экспериментально исследован спектр излучения 'лазера с составным резонатором, его зависимость от режима питания и геометрии лазера: •.'

• Показано, что изменение величины зазора вызывает переключения генерируемой моды. Оптимальным для приложений следует признать выбор зазора, соответствующий его максимальной прозрачности. В этом случае достигается максимальный диапазон перестройки оптической частоты и максимальная дискриминация побочных мод.

• Направление переключений частоты генерации, происходящих с ростом тока инжекции секции-модулятора, не зависит от величины зазора и определяется соотношением длин секций составного лазера. Кроме того, при любой величине зазора произвольная мода из диапазона перестройки может быть включена соответствующим выбором тока инжекции секции-модулятора. В этом смысле можно говорить о некритичности точного соблюдения заданной величины зазора. Эта особенность заметно снижает технологические требования к изготовлению С3-лазеров для некоторых приложений.

• Интегральная по спектру мощность излучения испытывает незначительные (-10%) отклонения от, среднего значения при изменении величины зазора или тока инжекции модулятора.' Это означает, что при переключениях мод имеется тенденция к сохранению полной мощности излучения, - независимо от причины, вызвавшей переключение. <

• Ватт-амперная характеристика моды С3-лазера имеет вид максимума, как и в случае лазера с резонатором Фабри-Перо. Специфика С3-лазера состоит в том, что изменение тока инжекции модулятора (либо изменение величины зазора) позволяет рейдировать положение и величину этого максимума. Ватт-амперная характеристика интегральной по спектру мощности излучения С3-лазера до превышения модулятором собственного порога выглядит так же, как и ватг-амперная характеристика лазера с резонатором Фабри-Перо.

-16-

3. Ширина спектральной линии излучения С3-лазера испытывает глубокую модуляцию при изменении токов инжекции секций или при изменении величины зазора между секциями лазера. Минимальная ширина линии генерации достигается при величине зазора, соответствующей его максимальной прозрачности и при токе инжекции модулятора, не превышающем его собственного порога. В этом случае С3-лазер демонстрирует спектральную линию, более, чем вдвое узкую в сравнении с линией, даваемой лазером с резонатором Фабри-Перо, полученным удалением секции-модулятора. Если величина зазора не оптимизирована, то соответствующий выбор токов инжекции, тем не менее, позволяет получить спектральную лшшю более узкую, чем лпяпя лазера с резонатором Фабри-Перо.

, 4. Исследовано поведение радиочастотного спектра амплитудного шума моды С3-лазера. Показано, что изменение режима работы лазера приводит к изменению интенсивности модового шума в широких пределах. Дисперсия модового шума, достигает максимума, когда выбор токов инжекции и величины зазора между секциями лазера делает равными мощности конкурирующих мод'и - минимума - при настройке на одпомодовмй режим генерации. • '......

5. В работе показано, что введение в составной резонатор дополнительной третьей секции расширяет диапазон перестройки оптической частоты и увеличивает дискриминацию побочных мод в спектре.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

]. Ю.А.Быковский, К.Б.Дедушенко, , И.ГЛихачев, Дискретно перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер и его применение для преобразования сигналов в оптической линии передачи информации. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологий и системах передачи и обработки информации", Таллин, IIIS ноября, 1987.

2. И.ГЛихачев, Оптоэлектронная логика на базе лазера со связанными резонаторами. Тезисы докладов V Всесоюзной школы-семинара молодых ученых и специалистов "Проблемы совершенствования устройств и методов приема, передачи и обработки информации", Звенигород, 3-10 апреля, 1988, с.И.

■ 3. Ю.А.Быковский, К.Б.Дедушенко, И.Г.Лихачев, Лазерный оптоэлектронный процессор. Тезисы докладов Первой Всесоюзной конференции по оптической обработке информации, Ленинград, 29 мая -2 июня, 1988, ч.Н, с.81.

4. Ю.А.Быковский, К.Б.Дедушенко, И.ГЛнхачев, Оптоэлектронный цифровой процессор, сопряженный с линией оптической связи, Тезисы докладов научно-технической конференции "Оптоэлектронные методы и средства обработки информации", Винница, 17-20 октября 1988 г.

5. К.Б.Дедушенко, С.А.Егоров, И.Г.Лихачев, А.Н.Мамаев, Полупроводниковые лазеры для оптических линий связи, в сб. "Взаимодействие когерентного и некогерентного излучения с веществом" под ред. Ю.А.Быковского, М., 1988 г., с.140-146.

6. К.Б.Дедушенко, И.ГЛихачев, Е.Т.Неделин, Инжекционные С3 -лазеры на основе ЬСаАвЛпР. Тезисы докладов Республиканской научной конференции "Физика полупроводниковых лазеров", Вильнюс, 30 мая- 1 июня, 1989, с.185.

7. К.Б.Дедушенко, М.В.Зверков, И.ГЛихачев, Стабилизация частоты и ее перестройка в полупроводниковых лазерах со связанными резонаторами. Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое, обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров", Харьков, 9-11 октября, 1990, с.180.

8. Ю.А.Быковский, И.ГЛнхачев, Полупроводниковые лазеры со связанными резонаторами как источники излучения в схемах интегральной оптики. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции по интегральной оптнке, Ужгород, 15-19 октября, 1991, с.20.

9. Ю.А.Быковский, К.Б.Дедушенко, М.В.Зверков, Е.Б.Иванова, И.Г.Лихачев, А.Н.Мамаев, ВЛ.Смирнов, Передача оптического сигнала с переключаемой по частоте несущей, Квантовая электроника, 1986, т.13, N5, с.1061-1062. '

10. К.БДедушенко, М.В.Зверков, И.ГЛихачев, Перестройка спектра излучен.гя С3-лазера, Квантовая электроника, 1987, т.14, N2, с.342-350.

11. К.Б.Дедушенко, М.В.Зверков, И.ГЛихачев, Межмодовые переключения в трехсекционном инжекционном лазере, Квантовая электроника, 1988, т.15, N4, с.714-716.

12. ГО.А.Быковский, К.Б.Дедунгепко, С.А.Егоров, М.В.Зверков, И.ГЛихачев, О.А.Пашко, Переходные процессы в С3-лазере, Квинтовая электроника, 1989, т. 16, N5, с.905-911________/_____________ ___________________________

13. ГО.А.Быковский, К.Б.Дедушеико, И.Г.Лихачев, О.А.Пашко, Влияние ширины зазора, разделяющего секции С3-лазера, на спектр излучения, Квантовая электроника, 1989, т.16, N8, с.1593-1595.

14. ГО.А.Быковский, К.БДедушенко, В.П.Дураев, И.ГЛихачев, Е.Т.Неделин, Спектральные характеристики инжекционных С3-лазеров на основе InGaAsP/InP, Квантовая электроника, 1990, т. 17, N4, с.410-411.

15. ГО.А.Быковский, К.БДедушенко, И.ГЛихачев, Ширина линии излучения С3-лазера, Квантовая электроника, 1992, т. 19, N11, с. 10621063.

16. ГО.А.Быковский, К.Б.Дедушеико, И.ГЛихачев, Квантово-размерный С3-лазер, Квантовая электроника, 1994, т.21, N5, с.414-416."

■Подписано в печать 2 02 Яъ Заказ Тираж 80 экз.

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31 -19-