Спектральные и скоростные характеристики InGaAsP/InP лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1.5-1.6 МКМ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

Яа правах рукописи

Г» г\

"Л

ДЕРЯГШ Антон Германович

СПЕКТРАЛЬНЫЕ И СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1пСаАзР/1п? ЛАЗЕРОВ, РАБОТАЮЩИХ 3 СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 1.5-1.6 МКМ

специальность: 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе

Российской Академии наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Б.И.КУЧИНСКИЙ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

лауреат Ленинской премии, профессор Б.В.ЦАРЕНКОВ,

кандидат технических наук, доцент А.В.МЕЗЕНОЁ.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный

технический университет, Санкт-Петербург.

Защита состоится " ¿Г " 1995 г. в

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы со автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан " "2> " 1995 г.

Ученый секретарь .диссертационного совета кандидат физико-математических наук

/5

часов

Г.С.КУЛИКОВ

— о _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Полупроводниковые икжекционные 1пСаАзР/ ШР (х=1.5-1.6 мкм) лазеры с распределенной обратной связью (РОС) являются самыми распространёнными источниками излучения для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи большой протяженности. Это обусловлено, во-первых, минимальными оптическими потерями в волоконных световодах в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм и, во-вторых, одночастотным в динамическом режиме спектром генерации таких лазеров, что минимизирует дисперсионное "расплывакие" информационных световых импульсов при их распространении по оптическому волокну. Важнейшими параметрами лазера как источника излучения в системах волоконно-оптической связи являются ширина линии генерации к полоса прямой- токовой модуляции, определяющая быстродействие системы.

Замечательным достоинством полупроводниковых лазеров является их способность излучать ультракороткие оптические импульсы (УКИ) длительностью от долей до десятков пикосекунд. Область применения УКИ очень широка - это спектроскопия, метрология быстро-протекающих процессов, исследование скоростных фотонрибмников, системы оптической связи и т.д. Основными способами генерации УКИ являются методы модуляции усиления, модуляции добротности и синхронизации мод. При этом методы пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации мод представляются более перспективными, т.к. не требуют для своего осуществления никаких, внешних управляющих воздействий.

Несмотря на значительное число публикаций, посвявгённых получению и исследованию генерации УКЙ з полупроводниковых лазерах, вопросы повышения быстродействия РОС-лазеров и совершенствования методов получения ультракоротких световых импульсов остаются до настоящего времени недостаточно разработанными, особенно в спектральной области 1.5-1.6 мкм.

Этим и определяется актуальность темы данной диссертации.

Целью данной диссертационной работа являлось:

1. Исследование возможностей повышения быстродействия 1пСаАзР/1пР (а.-1.55 мкм) лазеров с распределенной обратной связью.

2. Практическая реализация и исследование особенностей режимов пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации про-

дольных мод в 1пСаАБР/1пР лазерах, работающих в спектральном диапазона 1.5-1.6 мкм.

Научная новизна работы заключается.в следующем:

1. Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование вопросов повышения быстродействия лазеров с распределённой обратной связью. Рассмотрено влияние на быстродействие лазера таких ключевых его характеристик как эффективность обратной связи и расстройка длины волны брэггоЕской генераций относительно максимума кривой усиления.

2. Произведена оценка влияния имплантации тяжЗлых высокоэнерге-тичных ионов на времена жизни неосновных носителей заряда в материале 1пУаА&Р с составом, соответствующим ширине запрещённой зоны 0.785 эЕи

3. Экспериментально получен й исследован режим пассивной модуляции добротности в лазерах спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с насыщающимся поглотителем, созданным ионной имплантацией.

4. Разработан метод определения длительности пикосекундных импульсов оптического излучения в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, использующий внутреннюю генерацию второй гармоники в полупроводниковом лазере.

5. Получена самосинхронизация продольных мод в 1пСаАзР/1пР (\=1.55 мкм) лазере с объёмным активным слоем (толщиной 0.1 мкм)' л длиной резонатора 400 мкм. Насыщающийся поглотитель создан имплантацией ионов ь торцы лазера.

6. Сформирована последовательность субпикосекундных солитонных импульсов, следующих с частотой повторения 100 ГГц.

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

Практическая ценность заключается... в. создании лабораторных образцов быстродействующих полупроводниковых лазеров различного типа, работающих в'спектральном'.диапазоне 1.5-1.6 мкм. .... 1. Разработаны прибора со следующими характеристиками:

а. Лазеры с распределённой обратной связью и шириной .внутренней . полосы модуляции до 15 ГГц. .'',"•■

б. Лазеры с пассивной модуляцией добротности, излучающие оптические импульсы длительностью около 20 пс и частотой следования до 10 ГТц. Энергия и пиковая мощность импульсов составляют 3-6 пДж и

150-300 мВт, соответственно.

в. Лазеры с режимом пассивной синхронизации мод, генерирующие непрерывную с частотой более 100 ГГц последовательность субпкко-секундных оптических импульсов (т=0.64 пс).

2. Изготовлен лабораторный макет оптической системы, генерирующей последовательность солитонных суСпикосекундннх оптических кмпуль-сов с частотой следования 100 ГГц.

3. Предложена методика измерена?, длительности лякосвкувдннз. оптических импульсов для спектрального диапазона длин волн 1.5-1.6 мкм.

Перечисленные характеристики делают разработанные гетэрола-зеры уникальными источниками оптического излучения для различных технических и научных применений. Они могут быть с успехом использованы в волоконно-оптических линиях связи (в том числе соли-тонных), системах метрологического обеспечения, тестирования оп-тсэлектрошшх компонентов, при спектроскопических исследованиях с высоким временным разрешением и т.д.

На защиту выносятся следующие научные положения:

Положение 1 (о быстродействии,РОС-лазеров с коротковолновой расстройкой )

Скоростные свойства РОС-лазеров (*.=!.5-1.6 мкм) с сильной связью (К-Ь>1) и ненулевыми значениями коэффициента отражения на зеркалах, могут быть существенно улучшены при реализации брэг-говской генерации с сильной коротковолновой расстройкой (более 30 нм). С этой целью вблизи одного из торцов создают поглощающую область путбм имплантации тяжелых ионов азота с дозой (1-5).Ю12 ион/см2, а линию генерации располагают на коротковолновом склоне полосы усиления за счЭт выбора периода решбтки.

Положение 2 ( о модуляции добротности в ШСаАэР лазерах )

Использование в полупроводниковых 1пСаАаР/1пР (\=1.5-1.6 мкм) лазерах с внутренней модуляцией добротности насыщающегося поглотителя, созданного глубокой имплантацией тяглых ионов и обладающего малыми временами релаксации, позволяет достигать пи-косекундных значений длительности генерируемых световых импульсов (д1;с*20 пс), 'высоких частот повторения ( до »10 ГГц), большого динамического диапазона существования пульсаций ( до (4-5) 1П0 г.) и высокой импульсной мощности (до 300 мВт) генерируемых

импульсов.

Положение з (об измерении длительности гшкосекундных импульсов )

В спектрах излучения InGaAsP/InP лазеров, работающих в режиме модуляции добротности с длиной волны генерации в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, присутствует полоса от внутрирезонаторной генерации второй гармоники. Длительность излучаемых пикосекундных импульсов определяется путём сравнения средних мощностей излучения второй гармоники при работе лазера в режиме генерации пикосе-кундных импульсов и при излучении "опорных" импульсов, длитель-г ность которых известна. -. -

Положение 4 (о синхронизации мод j

Использование сверхбыстрого насыщающегося поглотителя, созданного имплантацией тяжёлых ионов, позволяет реализовать в InGaAsP/InP (\=1.5-1.6 мкм) лазере с объёмным активным слоем режим пассивной синхронизации мод с частотой следования субпикосе-т кундных импульсов более 100 ГГц. - ■ '

Апробация работы . '. ,

Основные результату диссертационной работы докладывались ка совместном Советско-американском семинаре "Электрооптика" (Москва, сентябрь 1989), 5-й Всесоюзной конференции по физическим npq«. цессам в полупроводниковых гетерострухтурах (Калуга, октябре 1990), 3-й Международной конференции по фосфиду индия и материалам на его основе (Кардифф, Великобритания, 8-II апреля 1991), 14-й Мевдународной конференции по полупроводниковым лазерам (Га-ваи., США, сентябрь 1994), 20-й Европейской конференции по оптической связи (Plrenze, сентябрь 1994).

Публикации • . .

Материала диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из.введения, четырёх глав, 'заключения и списка цитированной литературы. Общий.объём диссертации составляет 154 страницы, в том числе 98 страниц основного текста, 42 рисунка на 42 страницах и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 105 наименований и занимает 14 страниц.

- 7 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и Сформулированны задачи исследования, приведены выносимые на защиту научные положения и кратко изложено содержание диссертации.

Глава первая. Быстродействие полупроводниковых лазеров и Способы генерации ими коротких оптических импульсов (обзор).

Глава носит обший характер и кратко рассматривает основные Методы получения коротких оптических импульсов в полупроводниковых лазерах.

Первая часть глэеы посвящена рассмотрению прямой токовой Модуляции полупроводникового лазера и еб анализу на основе скоростных уравнений. Основное внимание уделяется частоте релаксационных колебаний (РК) и её зависимости от различных параметров Лазера,' при этом частота РК считается основной характеристикой предельного быстродействия лазера.

' Вторая часть главы рассматривает метод пассивной модуляции Добротности (ПМД) лазера. Показано, что для генерации мощных коротких импульсов излучения необходимо сначала искусственно поддерживать добротность на низком уровне, а потом, когда .будет достигнута достаточно большая инверсия населбнпостей, резко увеличить еб. Обсуждается способ пассивной модуляции добротности с Помощью насыщающегося поглотителя (НП). Подробно анализируется Динамическое поведение лазера с Ш. Анализ производится на основе рассмотрения системы скоростных уравнений.

Третья часть главы посвящена основам пассивной синхронизации Мод (ПСМ) полупроводникового лазера. Показано, что поле в резона-5?оре лазера, "составленное" из нескольких синхронизованных продольных мод, оказывается промоделированным по амплитуде и представляет собой цуг равно.отстоящих друг от друга световых импульсов. Рассматриваются два подхода (временной и спектральный), используемые для анализа явления синхронизации мод. Обсуждаются основные физические процессы, приводящие к синхронизации мод с медленным НП.

Глава вторая. Исследование способов повышения быстродействия лазеров с распределенной обратной связью.

Рассматривается влияние различных характеристик на предельное быстродействие РОС-лазеров. При этом критерием быстродействия

лазера считается частота его релаксационных колебаний, поскольку она определяется исключительно физическими процессами в активной области лазера и не зависит от влияния разнообразных паразитных элементов. Значение частоты РК определяется следующим выражением:

где дифференциальное усиление, Б0- плотность фотонов в активной области, т - время жизни фотона в резонаторе. Выражение (1) позволяет наметить три пути возможного увеличения частоты РК, а именно: увеличение дифференциального усиления, повышение.плотности и снижение времени жизни фотоноз в резонаторе лазера.

§ 2.1 посвящбн исследованию влияния коротковолновой расстройки на дифференциальное усиление РОС-лззера. Расстройкой д\ называется величина, равная разности между длиной волны брэгговс-кой генерации и длиной волны, соответствующей максимуму спектра усиления. Влияние расстройки на дифференциальное усиление в РОС-лазере определено на основе теоретического расчбта спектральных зависимостей усиления в МаАяР для прямых мажзонных переходов между параболическими зонами с учбтом правил отбора по квазиимпульсу. Расчёт выполнен для комнатной .температуры и твердого раствора 1пСаА8р с шириной запрещЗнной зоны Е =0.785 эВ, и концент-

1 я —°

рации носителей п=р=1.6.10 см Расчёт показывает, что дифференциальное усиление повышается в 1.5 раза при увеличении расстройки от 0 до -30 им. Полученная в результате расчбта зависимость дифференциального усиления от расстройки показывает, что оно продолжает повышаться при дальнейшем увеличении расстройки.

§ 2.2 рассматривает возможность максимального ..увеличения расстройки. Подчёркивается, что предельная величина'расстройки ограничивается возникновением генерации мод Фабри-Перо в максимуме кривой усиления. Действительно, брэгговская генерация в РОС-лазере с расстройкой будет иметь место лишь в том случае, когда порог её генерации будет меньше порога генерации мод Фабри-Перо, обусловленных наличием у кристалла РОС-лазера сколотых торцов, образующих резонатор Фабри-Перо. Пороговые усиления для Фабри-Перо и брэгговской,генераций имеют вид:

( 1 )

ф.п. ф.п. 1 1

= а + - 1П - > (2)

пор вн Ь II

рос рос

£ = а + 2.я , ( 3 )

пор вн пор

где азн - внутренние потери, ашр - пороговое усиление брэгговс-кой моды, определяемое путём численного решения уравнения для связанных волн, Ь - длина резонатора лазера, Е. - коэффициент отражения зеркал, индексы ф.п. и рос относятся к генерации Фабри-Перо и РОС мод,соответственно. Для исследованных лазеров с длиной резонатора .1=250 мкм и величиной КЬ=2.5 (^-коэффициент брэгговской связи, характеризующий её эффективность) потери на выход 1 /Цп1 /И и брэгговское усиление о^ор составили 47 см-1 и 13 см-1, Соответственно. Максимальное значение расстройки может быть определено из равенства разности пороговых усилений для Фабри-Перо и брэгговской генераций дефициту усиления брэггсвской моды, т.е. разности мевду максимальным значением коэффициента усиления Смакс ¿ значением усиления Срос на длине волны брэгговской генерации: ф.гг. рос

в - 8 = 0 ' - 0 . (4)

пор пор макс рос

Дефицит .усиления может быть вычислен из спектральной зависимости Усиления лазера. Как показали исследования, ход спектральной зависимости усиления вблизи своего максимума может быть с достаточной точностью аппроксимирован параболой: С =-А(Е- Емакс)2 ( 5 ), £де С-полное усиление, А-коэф!нциент, Е- энергия фотона, Емакс-бнертая фотона, соответствующая максимуму. Для исследованных образцов при кощатдай температуре получены значения: Емакс=0.79 эВ; А=1.39-1.0^ да~"/эВ2> Выражение (5) показывает резкую зависимость дефицита устетя от расстройки. Так, для га=-30 нм дефицит усиления равен 33 см-1, а для д\=-50 нм - уже 92 см"1. РасчЭт по (4) да5т в предположении одинаковых внутренних потерь для Фабри-Перо и брэгговской генераций максимальное значение расстройки в 23 нм. Ясно, что дальнейшее увеличение расстройки возможно только в случае нрйнятия специальных мер, направленных на подавления генерации мод Фаори-Перо.

Предлагается и исследуется способ подавления гоппрщш млд

Фабри-Перо, заключающийся в создании вблизи одного из торцов резонатора поглощающей области. Область создавалась путбм глубокой имплантации тяжёлых ионов. Дополнительные потери, обусловленные введением поглощающей области, значительно повышают порог генерации мод Фабри-Перо, в то время как порог РОС-генерации изменяется незначительно благодаря сильной пространственной неоднородности распределения интенсивности излучения в РОС-лазере с К1>1. Исследования показали, что создание такой области позволяет эффективно подавлять генерацию мод Фабри-Яеро без заметного ухудшения характеристик РОС-генерации. При дозе имплантации 5.1012 ион/см2 и величине КЬ=2.5 удавалось получать экстремальные значения коротковолновой расстройки да.=-50 нм, что теоретически должно соответствовать увеличению дифференциального усиления почти в 3 раза.

5 2.3 рассматривает влияние, пространственного распределения интенсивности излучения в РОС-лазере на повышение плотности фотонов и, таким образом, на увеличение частоты РК РОС-лазера. Отмечается, что РОС-лазэр обладает уникальной возможностью управления пространственным распределением интенсивности излучения по длине резонатора. Так, при КЬ>1 (сильная связь) распределение имеет ярко выраженный максимум в центре структуры. Данное обстоятельство особенно благоприятно, т.к. позволяет увеличивать плотность фотонов только внутри резонатора без существенного повышения таковой на зеркалах, что благоприятным образом сказывается на долговечности приборов. .

В § 2.4 выполнен специальный теоретический расчет и проведены экспериментальные исследования быстродействия РОС-лазеров с сильной связью и большой коротковолновой расстройкой. Теоретический анализ выполнен на основе соотношения (1), в которой величины Бд и тр выражены через выходную N дность, длину резонатора, объём активной области и значения внутренней и внешней дифференциальных эффективностей лазера. Особенность РОС-лазеров, связанная с пространственным распределением интенсивности'поля в резонаторе, учитывалась через величину внешней дифференциальной эффективности, которая уменьшается с ростом КЬ:.^^ /(а^ + 2адор) ( 6 ). Для определения влияния длины резонатора произведён . расчёт частоты РК, в котором использовалась модель РОС-лазера с ненулевыми зна-ч«гая»я1 коэффициента отражения на торцах структуры. Расчёт вынол-

нен для различных длин резонатора и набора значений коэффициента связи К. Результаты расчёта показывают, что увеличение L, равно как и увеличение К, позволяет повышать частоту РК. Однако увеличение коэффициента связи К признано более целесообразным, т.к. в РОС-лазерах с расстройкой существует ограничение на длину резонатора, обусловленное снижением порогового усиления мод Фаори-Перо при увеличении длины резонатора (см. выражение (2)) и, следовательно, возникновением генерации мод Фабри-Перо в максимуме кривой усиления.

Экспериментальное исследование влияния различных параметров РОС-лазера на его частоту РК проведено для ряда структур, отличающихся эффективностью обратной связи, длиной резонатора и величиной расстройки. Максимальное значение частоты РК получено в лазерном диоде с высокой эффективностью обратной связи (К=1Ю см KL=2.75) и сильной коротковолновой расстройкой (п\=-50 нм). Оно составило 15 ГГц при весьма умеренной выходной мощности 8.4 мВт. Предельное значение измеренной частоты РК было ограничено временным разрешением регистрирующей аппаратуры и является рекордным для лазеров такого типа.

В заключении по главе 2 делается вывод о том, что в РОС-лазерах с высоким значением KI. и сильной коротковолновой расстройкой удается существенно улучшить их скоростные свойства.

ГЛАВА 3. Генерация и регистрация пккосекундных оптических импульсов в InGaAsP/In? (\=1.55 мкм) лазерах с пассивной модуляцией добротности.

Глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию процессов пассивной модуляции добротности в полупроводниковых лазерах.

В § 3.1- отмечается, что для реализации режима НМД необходимо поместить в резонатор лазера насыщающийся поглотитель. Описывается способ создания НП, заключающийся в глубокой плантации в зеркала лазера высокоэнергетичних тяжЭлых ионов. Приведены результаты фотолюминасцентных исследований, которые наглядно показывают, что имплантация ионов азота в четверной твЗрдай раствор InGaAsP эффективно снижает время жизни носителей ппряда в материале до времЗн порядка единиц пикосекувд при дозах имплантации около 1012 ион/см'". Отмечается, что дефектные области, con-

данные при имплантации, занимают незначительную часть объёма' имплантированного полупроводника и, следовательно, нз долина заметно ухудшить его оптическое качество. ".,-.-

Описывается конструкция исследованных ^еТеролазеров и отмечается, что оптимальная с точки зрения длительности и мощности Генерируемых импуЛьсов доза имплантации составила (3-5). 1011; ион/см2. Приводятся экспериментальные ватт-амперные характеристики имплантированных лазеров, снятые при накачке импульсами тока длительностью 1 и 10 Не. Отмечается, что достижение режима 1ЩЦ можно контролировать непосредственно по виду ватт-амперной харац»-. теристики при накачке импульсами тока длительностью примерно 1 "не, т.к. Батт-амперная характеристика в этом случае .имеет характерную ступенчатую ф-^рму.

Спектры лазеров, работающих в режиме ПМД Существенно отличаются от спектров неимплактированных образцов. Во-первых, максимум спектра сдвигается в длинноволновую сторону примерно на 15 км и, во-вторых, отдельные . моды становятся значительно (до 1,нм) уширенными. Обсуждаются физические механизмы, приводящие к такой модификации спектров. Отмечается, что сдвиг спектра как целого обусловлен совместным влиянием спектров усилэкия и поглощения, а к уширению мод приводят большие динамические изменения концентрации носителей и, следовательно, показателя преломления, значение которого определяет длину волны генерации отдельной моды..

Измерения динамического поведения лазеров с помощью быстродействующего р-1-п ТгЛаАз фотодиода показали, что излучение им^ планированных лазеров представляет собой последовательность импульсов, следующих с частотой в несколько ГГц. В экспериментах достигалась максимальная частота Ю ГГц., Минимальная измеренная длительность отдельных импульсов., излучения ограничивалась быстродействием фотоприбмника к составила 80 пс. ■

В § 3.2 отмечается, что измерение длительности пикосбкукдкнх оптических импульсов-в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм представляет собой довольно сложную задачу. Фотокатоды современниц электронно-оптических камер (ЗОЮ имеют низкую чувствительность в этой спектральной области. Поэтому" для измерения истинной дли--тельности пикосекундных оптических: импульсов была разработала методика измерения, оснобанная ка использовании внутрирззонатор-

ного излучения второй гармоники. Длительность пикосекундных импульсов определялась путем сравнения мощности излучения второй гармоники при работе лазера в режиме генерации пикосбкундных импульсов и при излучении так называемых "опорных" импульсов, длительность которых могла быть изморена' обычными способами. Для оценки использовалась формула:

- 2

р / р

.1 2 к опорн V? опорн

Л1:пс - ---=-=-2--• ( 7 ) .

Р / Р

2и ПС Ч! по

где А - коэффициент, учитывающий форму генерируемого лазером импульса { 0.66 для "гауссовой" формы ); I - частота повторения

импульсов в цуге; Р2чу - средние мощности основной и второй гармоник. Индексы "опорн" и "пс" относятся к "опорным" и пикосе-• кундным импульсам, соответственно.

Рассмотрены - некоторые особенности использованного метода измерений, в частности, необходимость использования интерференционных фильтров, обусловленная наличием достаточно интенсивного (по сравнению со второй гармоникой) излучения с длиной волны 0.92 мкм, вызванного рекомбинацией носителей в 1пР эмиттерах лазера.

Рассчитанное по (7) в предположении гауссовой формы импульса значение его полуширины для лучших образцов составило и' 20 пс. . Для некоторых образцов лазеров с максимальными мощностями излучаемых импульсов были произведены измерения - формы импульсов на ЭОК. Длительность наиболее коротких импульсов составила 18-25 пс, * что находится в хорошем согласии с результатами измерений по. формуле (7). Мощность генерируемых импульсов определялась 2-мя способами, даваЕпшми близкие результаты. Значение энергия получаемых импульсов составило 3-6 пДж, что при средней длительности импульса 20 пс соответствовало пикоеой мощности 150-300 мВт.

§ 3.3 посвящбн теоретическому рассмотрению процесса ШД. Анализ проводился путЗм численного интегрирования системы балансных уравнений для плотности фотонов и концентраций электронов в усиливающей области и в области Ш. Полученные в результате рас. чбтов временные зависимости мгновенной оптической мощности позволяют определить основные характеристики получаемых оптических импульсов, а именно их пиковую мощность, длительность и частоту следования. Приводятся зависимости пиковой мощности и длительное-

ти импульсов от амплитуда тока накачки для лазеров с различным значением коэффициента насыщения усиления в активной области. Отмечается сильное влияние эффекта насыщения усиления на характеристики генерируемых импульсов: мощность импульса падает, длительность растёт и существенно сужается токовый диапазон существования режима ЩЦ.

Рассматривается влияние времени релаксации НП на характеристики генерируемых импульсов излучения. Отмечается, что существует оптимальное время релаксации НП, соответствующее наилучшим характеристикам получаемых импульсов. Следовательно, для реальных лазеров с областями НП, созданными искной имплантацией, существует оптимальная доза имплантации, соответствующая оптимальному времени релаксации НП. Экспериментально установлено, что для исследованных наш лазеров эта доза составляет (3-5). 10'1 ион/см2.

ГЛАЗА 4. Исследование режима пассивной синхронизации мод в InGaAsP/InP лазерах с собственным резонатором, работающих в спек-, тральном диапазоне 1.5-1.6 мкм.

Е главе изучается пассивная синхронизация мод в полупровод-, никовых лазерах с собственным резонатором и рассматривается возможность получения, субпикосекундных импульсов сслитонной природы. Отмечается, что ПСМ с частотами порядка 100 ГГц, т.е. в лазере с собственным резонатором является более перспективной, чем активная, т.к. не требует для своего осуществления никаких свэрхвысо-кочастотныу. внешних управляющих воздействий и не ограничивается паразктпыми элементами конструкции лазера.

В § 4.1 изложены результаты исследования режима ПСМ в лазерах с высоким пороговым током, допускающих работу лишь в импульсном режиме накачки. Приводится описание' конструкции лазерной' структуры, использованной в экспериментах. Область НП создавалась путём имплантации ионов азота N3+ с энергией 17 МэВ, проникающих в полупроводник на среднюю глубину 10 мкм. Доза имплантации составила 5-101' ион/см2.'• Важной особенностью использованных образцов • являлось то, что спектр их генерации шел максимум на длине волны примерно 1.53 мкм, что позволяло эффективно усиливать такое излучение в активных волоконных световодах (ABC), легированных ионами эрбия. Усиленные импульсы могли быть легко зарегистрированы с помощью ЭОК. Временные зависимости интенсивности усиленного

излучения представляли собой несколько импульсов (1-2) длительностью т-1Л пс, следующих с периодом Т^5.5-б пс. Период повторения импульсов соответствовал времени двойного прохода резонатора светом, что позволяло предположить наличие режима синхронизации мод. Однако режим ПСМ характеризуется обычно значительным Бременем установления, по крайней мере в несколько раз большим времени двойного обхода светом резонатора. Поэтому неожиданным оказалось получение в значительном числе треков ЭОК кЕазиодноиштульсной картины излучения. По-видимому, физический процесс, приводивший к существованию в выходном излучении всего одного-двух импульсов света, являлся случайным, т!к. наблюдался не во всех треках, снятых ЭОК. Произведение ширины спектра на длительность импульса ¿V-Дт=0.41, что указывало на спектральную ограниченность последней.

, § 4.2 посвящбн получению ПСМ в лазерах, работающих в непрерывном режиме работы. Отмечается, что такая ситуация оказалась возможной в лазерах с большей длиной резонатора (400 мкм). Эксперименты показали, что даже при дозе имплантации 5-Ю12 ион/см2, соответствующей минимальным временам жизни в НП, значение порогового тока составляло 'немногим более 100 мА, что допускало работу лазеров в непрерывном режиме работы при комнатной температуре.

Наличие эффектов насыщающегося поглощения проверялось при накачке лазеров импульсами тока длительностью 2 не и регистрировалось на ЭОК. Измеренная длительность оптических импульсов лежала в диапазоне от 30 до 70 пс.' В экспериментах наблюдалась слабая модуляция относительно широких импульсов с периодом, соответствующим времени двойного обхода светом резонатора лазера, что свидетельствовало о наличии неполной ПСМ. Основные исследования проводились ' при накачке лазеров постоянным током. Приведены экспериментальные зависимости средней выходной мощности и еб производной по току от величины тока накачки. Подчеркивается, что перехода лазера в режим ПСМ соответствует излом на ватт-амперной характеристике . Измерение временных характеристик лазерного излучения проводилось на автокорреляторе, использующем метод генерации второй гармоники. Автокорреляционные измерения показали, что излучение лазера представляет собой последовательность корстких импульсов с частотой следования 110 ГГц. В предположении фермы импульса

в виде квадратичного гиперболического секанса вес]!2 длительность одиночного импульса составила 1=0.65 пс. Контраст АКФ был равен 5. Приведены спектры генерации лазеров при различных величинах тока накачки. Показано, что переход в режим ПСМ сопровождался значительным "чирпом", величина которого возрастала с увеличением тока накачки. Произведение ширины спектра на длительность импульса составило 0.52, что несколько больше предельного значения 0.32 для спектрально ограниченных импульсов с предполагаемой наш формой. Это может быть обусловлено значительным "чирпом" длины волны. Мощность в импульсе, определённая из значений средней мощности, длительности и частоты следования импульсов составила 15-20 мВт. После 50-ти часов работы не было обнаружено никаких изменений в параметрах излучаемых импульсов и в спектрах их излучения.

Приводится сравнение полученных результатов с характеристиками оптических импульсов, полученных в аналогичных структурах при активной синхронизации мод во внешнем резонаторе (дт=18 пс, ?=1 ГГц). Отмечается, что ПСМ по сравнению с активной позволяет довольно просто получать более короткие оптические импульсы со значительно большей частотой повторения.

В § 4.3 рассматривается возможность получения солитонных импульсов субпикссекундной длительности. Отмечается, что использование солитонов представляет собой перспективный способ борьбы с дисперсионным расплыванием коротких хшформационных импульсов при кх распространении по оптическому волокну. Физическая сущность солитона состоит' во взаимной компенсации уширенкя импульса, вызванного только дисперсией среды, нелинейной фазовой модуляцией импульса, обусловленной нелинейностью среды. Для формирования солитонкого импульса в оптическом волокне, Ьходной сигнал должен иметь амплитуду, превосходящую амплитуду фундаментального солитона. Для преобразования оптического сигнала от лазера с ПСМ в последовательность солитонов использовалась схема с активными и нелинейными волокнами, состоящая из двух каскадов. Общее усиление системы составило 31• ДБ. Произведение длительности на ширину спектра усиленных импульсов излучения было близко к спектрально ограниченной и составило 0.33- Для демонстрации солитонной природы усилрншх импульсов использовался кусок волокна длиной 1.3 км. г. дисперсией 3.2 пс/нм^км я эффективной площадью моды 19 мкм2,

что соответствовало мощности 0.8 пс фундаментального солитона 2.9 Вт и дисперсионной длине 50 м. Исследования показали, что длительность оптических импульсов после прохождения ими отрезка волокна не изменилась, следовательно наблюдаемые 'импульсы4 имели солитонную природу.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. теоретически и экспериментально исследованы пути повышения быстродействия лазеров с распределенной обратной связью. Показано, что неоднородное пространственное распределение интенсивности излучения по длине резонатора РОС лазера с Сильной связью (К.1|>1) позволяет повысить плотность фотонов внутри резонатора лазера при незначительном е9 повышении на торцевых зеркалах лазера и, таким образом, улучшить его быстродействие.

2. Рассмотрено влияние коротковолновой расстройки длины волны генерации РОС лазера относительно максимума кривой усиления на величину дифференциального усиления в активной области. Показано, что введение сильной коротковолновой расстройки (в несколько десятков нм) увеличивает значение дифференциального усиления в несколько раз и, таким образом, существенно' повышает быстродействие приборов.

3. Экспериментально исследовано влияние поглощающей области, созданной имплантацией тяжйлых ионов и расположенной вблизи торца резонатора, на характеристики РОС-лазеров с различней эффектив-г ностью обратной связи. Показано, что в случае сильной -связи (К.Ь>1) введение поглощающей области заметно не изменяет основных характеристик РОС-лазера, но. позволяет подавить генерацию мод Фабри-Перо в максимуме кривой усиления и, таким образом, получить экстремальные значения коротковолновой расстройки (до дя=-50 чм). В лазерах с К.1=2.5 и сильной расстройкой дх=-50 нм получено рекордное значение частоты релаксационных колебаний I - 15 ГГц.

4. Произведена экспериментальная оценка влияния имплантации тяжелых ионое на времена жизни неравновесных носителей заряда в твердом растворе 1пСаАБР с шириной запрещённой зоны Ер=0.785 еВ. Показано, что при дозах имплантации порядка ю12 ион/см2 промя зшз-чи уменьшается до единиц пикосекунд.

5. Экспериментально исследована работа InGaAsP/InP (\=1.5-1.6 мкм) в режиме ГВД а областями насыщающегося поглотителя, созданного ионной имплантацией. Получена генерация импульсов со следующими параметрами: длительность 20-30 пс, частота следования до 10 ГГц, пиковая мощность до 150-300 мВт.

6. Разработана методика определения длительности пикосекундных оптических импульсов, генерируемых лазерами с ПМД в спектральном .диапазоне 1.5-1.6 мкм, использующая внутреннюю генерацию второй гармоники в резонаторе лазера.

7. Экспериментально исследован режим пассивной синхронизации мод , в InGaAsP/InP (\=1.5-1.6 мкм) лазерах с собственным резонатором. Получена непрерывная генерация последовательности.оптических импульсов со следующими параметрами: длительность импульса 0.64 пс, частота следования 110 ГГц, пиковая мощность 20-30 мВт.

8. Рассмотрена возможность усиления коротких оптических импульсов, получаемых в лазерах с пассивной синхронизацией мод, в активных волоконных световодах. Разработана лабораторная схема усиления таких импульсов и получена последовательность субпикосе-кундных солитонных оптических импульсов с частотой следования 100 ГГц. . -

Основное содержание диссертации опубликовано в. следующих работах.

1. Гуриев Л.И., Дерягин А.Г., Димов О.И., Куксенков Д.В., Кучинс-кий В.И., Портной E.JL, Смирницкий В.Б. "Внутренняя генерация второй гармоники в InGaAsP/InP (х=1.55 мкм) лазерах с раздельным ограничением" - Письма в ЖГФ, 1989, т.15, в.9, с.67-72.

2. Волков Л.А., Гуриев А.И., Данильченко В.Г., Дерягин А.Г., Куксенков Д. В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Смирницкий B.D. "Гене-' рация и регистрация пикосекундных оптических импульсов в InGaAsP/ inP (л,=1.55-мкм) лазерах с пассивной модуляцией добротности" -Письма в ЖТФ, 1989, т.15, в.13, с.6-9.

3. Deryagln A.G., Kukàenkov D.V., Kuchinskil V.I Portnoi E.L., Smlrnltskil V.B. "Injection lieterolasers for optical superspeed telecommunication lines" — USSR-USA Joint workshop "Electro-optlca", 1939, Moscow, abstracts, p.4.

4. Барушев В.И., Голикова Е.Г., Дерягин А.Г., Дураев В.П., Куксенков Д.В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Смирницкий В.Б. "Влия-

. - 19 -

ние области насыщающегося поглотителя на характеристики InGaAsP/ IriP РОС лазеров с сильной коротковолновой расстройкой" - Письма в ЖГФ, 1939, т.15, В.17, с.47-51.

5- Гуриев A.M., Деряган А.Г., Куксенков Д.В., Кучинский- В.И., Портной Е.Л., Смирницкий В.Б. "Релаксационные колебания в лазерах с РОС".- Тезиса докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990, т.1, с.48-49.

6. Гуриев А.И., Дерягин А.Г., Куксенков Д.В., Кучинский В.К., Портной Е.Л., Смирницкий В.Б. "Скоростные свойства InGaAsP/InP (я=1.55 мкм) РОС-лазеров с коротковолновой расстройкой" - Письма в ЖГФ, 1990, т.16, 3.21, с.61-65.

7. Волков Л.А., Гуриев А.И., Данильченко В.Г., Дерягин А.Г., Куксенков Д.В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Смирницкий В.Б. "Генерация пикосекундных оптических импульсов в InGaAsP/InP (\=1.55

' мкм) лазерах и их регистрация", - Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990, т.2, с.77-78.

8. Гуриев A.M., Дерягин А.Г.;, Куксенков Д.В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Смирницкий В.В. "Оптическая'нелинейность в InGaAsP/ InP гетероструктурах, работающих в спектральном диапазоне 1.5-1.7 мкм" - Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990, т.1, с.72-73. ,

9. Gurlev A.I., Deryagln A.G., Kuksenkov D.V., Kuchinskli V.I, Portnol E.L., Smirnitskii V.B. "Internal second harmonic generation In InGaAsP/InP infection heterolasers" - Proceedings of the Third International conference on Indium Phosphide and related materials, aprll 8-11, 1991, Cardiff, Wales, UK, M.P3.

10. Гуриев A.M., Дерягин А.Г., Куксенков Д.В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Смирницкий В.Б. "InGaAsP/In? (\=1.55 мкм) РОС-лазеры с сильной коротковолновой расстройкой" - Основные результаты научной деятельности ФТИ АН СССР за 1989/S0. ФТИ, Ленинград, 1991, с.20-22.

11. Гуриез А.И., Грудинин А.Б., Дерягин А.Г.. Зайцев С.В., Куксенков Д.В., Кучинский В.И., Портной Е.Л., Хрущбв И.Ю. "Генерация пикосекундных (х=1.7 пс) импульсов излучения в InGaAs?/InP

(V--1.535 мкм) гетеролазере со сверхбыстрым поглотителем" - Письма В ЖТФ, 1992, Т.18, B.3, С.38-41.

12. Deryagin A.G., Kuksenkov D.V., Kuchinskll V.I, Portnol E.L., Khrushchev I.Yu. "Generation ol 110 GHz train of subpicosecond pulses In 1.535 (¿m spectral region by passively mode-locked InGa-AsP/InP laser diodes" - Electronics letters, 1994, v.30, No4, p.309-311.

13. Deryagln A.G., Kuksenkov D.V., Kuchinskll V.I, Portnol E.L., Khrushchev I.Yu., Frahm J. "Generation of high repetition frequency subpicosecond pulses at 1.535 цт Ъу passively mcdelockmg of InGaAsP/InP laser diode with saturable absorber regions created by Ion Implantation" - 14th International semiconductor laser conference, Hawaii, 19-23 September 1994, Conference digest, p13, p.107-108.

14. Dlanov E.M., Khrushchev I.Yu., Deryagln A.G., Kuksenkov D.V., Kuchinskll V.I, Portnol E.L. "100 GHz sollton train generation employing .passively mode-locked laser diode and an erbium-fiber amplifier", Proceedings of 20th European conference on optical communication, Sept. 1994, Plrenze, vol.1, pp. 383-386.

Отпечатано на ротапринте ПШФ

Зак. 257, тир.100, уч.-изд.л.1;20/1У-1995г. Бесплатно