Усиление и генерация света в нелинейных лазерно-активных квазиволноводных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГБ ОД

п Ереванский Государственный Университет

На правах рукописи УДК 621.378.325

Саркисян Гегам Робертович

01.04.21 - "Лазерная Физика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ЕРЕВАН - 1994

Развитие современных средств связи и обработки изображений, оптического компьютера и интегральной оптики в целом, обусловило интенсивные исследования и разработку новых миниатюрных источников, переключателей и дефлекторов оптического (лазерного) излучения. Преимущества оптических систем перед электронными общеизвестны: быстродействие, ббльшая помехозащищенность, возможность параллельной обработки информации, гигантские объемы передаваемой информации, и т.д. В настоящее время практически осуществлены оптические аналоги основных радиоэлектронных приборов (транзисторы, триггеры, различные логические устройства, и т.д.), а также элементы оптической памяти. В основе этих приборов лежит явление оптической бистабильности.

В свете вышеизложенного большой интерес как с точки зрения исследования различных нелинейно-оптических явлений, так и с точки зрения больших потенциальных возможностей применения в интегральной оптике, представляет КваЗиволноводный Тонкопленочный Лазер (КТЛ), представляющий собой тонкий, плоско-параллельный слой лазерно-активного вещества с показателем преломления п, заключенный между пассивными диэлектрическими слоями с показателями преломления и0 и п} , при условии п < п0, », . Последнее условие означает, что данная система имеет только "моды утечки", что обусловливает ряд специфических особенностей КТЛ. В течение последних лет, в НПО "Лазерная Техника" был проведен целый ряд теоретических и экспериментальных работ по исследованию квазиволноводного лазера, выявивший такие интересные свойства квазиволноводных систем, как наличие бистабильных режимов работы, селективное усиление пространственных мод, возможности миниатюрного исполнения КТЛ, конструирования многослойных систем типа генератор-усилитель и т.д. Однако остается много задач, решение которых позволило бы полнее описать КТЛ, выявить новые возможности квазиволноводных систем, а также по возможности способствовать практической реализации эффектов, описанных теоретически. К числу таких задач относятся учет влияния конкуренция мод в активном слое, анализ особенностей усиления и генерации света в системе из нескольких совмещенных квазиволноводных структур. Особый интерес представляет анализ бистабильных явлений в этих структурах.

5. Проведено исследование квазиволноводной системы, состоящей из двух прилегающих активных слоев, заключенных между пассивными диэлектрическими средами;

6. Исследована система активный квазиволновод - волновод. Получены пороговые соотношения генерации такой системы, выведены выражения для коэффициентов отражения и прохождения активного слоя.

7. Численными методами исследованы амплитудно-частотные характеристики излучения квазиволноводных систем. Показано, в частности, что спектр излучения двухслойной системы у'же спектра однослойного квазиволновода.

Практическая ценность работы.

Результаты исследований можно положить в основу разработки и конструирования новых типов источников излучения для волоконно-оптических систем связи, переключателей направления излучения, устройств ввода излучения в волновод. КТЛ можно также предложить в качестве основы для разработки элементов оптической памяти.

Основные положения положения« выносимые на защиту.

1. Результаты сравнительного анализа активных и пассивных бистабильных систем:

а. Активные системы обладают большим быстродействием;

б. Порог бистабильности активных систем ниже;

2. Результаты исследования коэффициента отражения от несимметричной квазиволноводной системы: выявлена возможность просветления активного квазиволноводного слоя.

Результаты исследования квазиволноводного усилыелм итератора с полным внутренним отражением от одной из границ:

выведены пороговые условия генерации, коэффициенты прохождения и отражения, а также выражения для интенсивностей падающей и отраженной от активного слоя волны.

3. Результаты учета интерференции волн в КТЛ:

показано, что при этом зависимость выходных интенсивностей сачественных изменений не претерпевает, однако область бистабильности ¡ужается и сдвигается в сторону меньших входных интенсивностей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 61 страницах отпечатанного текста с 21 рисунком. Список литературы содержит 74 наименований.

Содержание диссертации

Во введении описано современное состояние проблемы, приведен обзор исследований связанных с задачами взаимодействия электромагнитного излучения с нелинейными, в частности с усиливающими средами.

В первой главе приведена общая теория усиления и генерации света в активном несимметричном квазиволноводном слое с учетом насыщения усиления и формы линии активного перехода.

Во введении к первой главе приведен краткий обзор литературы, касающейся квазиволноводного лазера и обоснованы преимущества усилительных бистабильных систем.

Известно, что пассивные бистабильные системы обладают рядом недостатков, основным из которых является сравнительно высокое значение порога бистабильности по интенсивности входного сигнала. Одним из способов уменьшения этой величины является использование сред с большой нелинейностью. Другой способ состоит в применении электрооптической обратной связи, с помощью которой управляют показателем преломления среды, заполняющей резонатор. В обоих случаях бистабильная система проигрывает в быстродействии. В первом случае это связано с увеличением времени релаксации нелинейности с повышением величины нелинейности, а во втором случае быстродействие существенно понижается из-за наличия электронной обратной связи. Использование в нелинейном резонаторе лазерно-активной среды вместо пассивной может приводить к существенному уменьшению порога бистабильности при состоянии системы близком к генерации. При этом, так как система остается полностью оптической, она обладает высоким быстродействием, которое может на 2 - 3 порядка превышать быстродействие пассивных систем.

(о, = ——— и р0 = т2—т" - Френелевские коэффициенты отражения от границ

к3+к «о + * (

о л,

соя, А0 = —и0сов0 , £>=— 1п£+2Л£),

с «,

откуда следует, что при одновременном выполнении условий 0, = 1щ 0' = 0,±1,±2,...) и €=р0/р3 коэффициент отражения становится равным нулю при отличной от нуля входной интенсивности. Это означает, что при инжекции в направлении генерируемой моды сигнала интенсивностью

/о=---

Рг

система излучает только в направлении прошедшей волны. Следует отметить, что для реализуемости условия 4 = Ро/Р> необходимо, чтобы р0 > р, (или и0 > я,), что следует из определения £.

Исходя из того, что при определенных условиях зависимости интенсивностей прошедшей и отраженной волн от интенсивности волны падающей на активный слой носят бистабильный характер, КТЛ можно рассматривать также как устройство для бистабильного переключения направления излучения между направлениями, определяемыми прошедшей и отраженной волнами.

В пункте б) первого параграфа исследован активный квазиволноводный слой с полным внутренним отражением квазиволновод-ных мод от одной из границ. В этом случае излучение системы ограничено углами ПВО на границах активного слоя. Коэффициент отражения такой системы имеет вид:

р1+ 2Рой с<«8 + 1т(р>п

1 + 2р&Ке(рс)ю*<2 + 1т<»п<2}+р1? '

= к-¡к,

слоя).

где рс = (кс = — япг в-п] , пс- показатель преломления покровного

Из условия равенства нулю знаменателя коэффициента отражения выведены пороговые условия генерации:

е = агс1ап(|Ук)+я/ О = 0> ±1, ±2, ...) , = ±

И

: развита теория квазиволноводного усилителя-генератора с учетом интерференции волн, распространяющихся в активном слое с противоположно направленными проекциями волнового вектора на ось Z При этом в волновом уравнении, в знаменателе выражения для коэффициента усиления, учитывается также интерференционный член 'тфЬ'е2"*) Са = уА, Ь = уВ ).

Проведенный таким образом анализ показывает качественное совпадение с результатами исследований, проведенных без учета интерференции. В частности имеется возможность работы системы в режиме генерации, а также зависимость выходных интенсивностей от интенсивности падающей волны носит бистабильный характер.

Однако количественное сравнение показывает, что при учете интерференции порог бистабильности по входной интенсивности значительно ниже, а область бистабильности у'же. Снижение порога бистабильности объясняется учитываемым вкладом интерференционного члена в показатель преломления активной среды.

исследована инжекция внешнего сигнала и конкуренция мод в квазиволноводном слое.

Во введении к первой главе, приведен краткий обзор литературы, относящейся к данной теме.

В первом параграфе приведена общая теория многомодового КТЛ с насыщающимся усилением. Получены выражения для коэффициентов прохождения и отражения слоя, определены пороговые условия многомодовой генерации активного слоя. Выявлена возможность захвата (вынужденной синхронизации) волновых векторов генерируемых волн, определена интенсивность инжектируемого сигнала при котором происходит захват генерируемых мод:

= _Рь1 -'"#()_

" (£о ~ 00 + Г9 )2 (1 + ИоРоУЩо) 20

где индекс "0" относится к инжектируемой волне.

ВпунктеАвтсцюго_дараграфа рассмотрен частный случай инжекции внешней волны в активный квазиволноводный слой работающий в режиме генерации одной моды. Описан эффект захвата генерируемой моды

пассивными диэлектрическими слоями. Такую систему можно рассматривать как квазиволноводный лазер в усиливающей подложкой. Рассчитаны коэффициенты прохождения и отражения системы, которые, из-за их громоздкости здесь приводится не будут. Несмотря Há то, что в данном случае аналитическим путем условия генерации нам вывести не удалось, однако графический анализ показывает возможность генерации. Показано также, что порог генерации такой системы ниже порога генерации однослойного квазиволновода, что можно объяснить наличием дополнительного усиления в подложке. Выявлена возможность бистабильной работы системы.

Исследованы также амплитудно-частотные характеристики излучения. В частности проведен сравнительный анализ двухслойной и однослойной квазиволноводной системы. Показано, что двухслойная система обладает некоторыми селективными свойствами.

Во втором параграфе исследована многослойная структура состоящего из активного квазиволноводного слоя

покрытого со стороны одной из пассивных диэлектрических слоев еще одним пассивным диэлектрическим слоем с показателем преломления меньшим показателя преломления активного слоя.

Для коэффициента отражения от системы (Л)и коэффициента прохождения (7)активного слоя получаются следующие выражения:

pl + 2р0$ [Re(P)cosg+Im(f)sin(>]+^

1 + 2р04 [Re(P) cos0+Im(P) sin Q]+p¡42

T = 16«*/{(1 + jf (1 +1)2-{1 - 2 p, [(Re(ft)cosQ + Imfo)sin 0, +/>,2}x x {1 - 2p0®ReCP)oo»G + Im(F)sm Q)+p¡}}

где P = f' ~Рс"^ = ReU'Hlm(P), Q =Zk]Lr

<~P,Pce

Из условия равенства нулю знаменателя коэффициента отражения получаются пороговые условия генерации:

С=аг«аг(^]+л7 (J = 0, ±1, ±2,...), 1^= —

слоя. Показано наличие бистабильной зависимости интенсивности отраженной от слоя волны от интенсивности входной. Выведены пороговые соотношения генерации такой системы. Выявлено, что порог генерации в случае полного внутреннего отражения ниже порога генерации обычного квазиволновода.

4. Выявлено, что при учете интерференции волн в квазиволноводном слой качественных изменений в зависимости выходных интенсивностей от входных не происходит, однако в количественном отношении область бистабильности сужается и сдвигается в сторону меньших входных интенсивностей.

5. Выявлен эффект захвата генерируемой моды инжектированным сигналом, что, по сути, представляет собой гистерезисное переключение направления излучения квазиволноводного лазера. Показано, что при инжекции двух внешних сигналов, в зависимости от интенсивности одного сигнала возможно переключение направления излучения КТЛ между направлениями, определяемыми инжектируемыми сигналами в случае, когда интенсивность второго сигнала постоянна. Отдельно рассмотрен случай, когда входные интенсивности инжектируемых волн линейно связаны. Показана возможность возникновения мультистабильной зависимости выходных интенсивностей инжектируемых волн, а также выявлен эффект самозахвата.

6. Выведены коэффициенты прохождения и отражения квазиволноводной системы с активной подложкой. Выявлено наличие бистабильной зависимости интенсивности прошедшей (отраженной) волны от интенсивности входной. Исследована амплитудно- частотная характеристика выходного излучения. Показано значительное сужение спектра излучения по сравнению с однослойной квазиволноводной системой.

7. Исследован квазиволноводный усилитель-генератор с волноводным покровным слоем. Выведены пороговые соотношения такой системы, коэффициенты прохождения и отражения активного слоя. Показано, что пороговое усиление для генерации такой системы также меньше порогового усиления однослойного квазиволновода.

«UU.abPU.eh'ü Sb|u\,l><tU.» Ч.Ц.1Г bpUiuG)i ItbuiuiljiuG ¿.uiiIuiiuiupiuG

ии.гч-ивил, q-un^xi «ЬрЬриф

1,пьвиъ nhd-baU.enMTQ ьч я.ь\,ьги.вьил.

па-<мги.въъ uiabru.et',b илвъч •ft4u.aMJ.Lb-ßu.su.nu.eh"b ¿.airaban ч-ьрпмг

U,2|uiuuiiuGßp t iífiui2hpui U puiqiîiu2bpin pijiuq(iiui|ipuiuiiupuiifiG

fiiuiluil|wpq.bp]i fibui [nijuf) ifin]uuiqiibgni|»juiG fibiniuqnuinip¡iuGp: U,mu£))G фли! fl))fIQwt[np\|bi UG \ul|in|i\l bpl^uiiiuG (ptiumuiptn) fiuu¡uil|uipqUp|i прпгш1ф uimuilhim.piniGGhpo u|uiu|ii4 1иш1шЦшр^Ьр}1 Gl|ui\niluulp: U>mM?f\G щшршодиифпи! ryupu hü phpilUi шЦш(и| gilutqtiiuitisuimiupuiiliG ¿Ьриф ipjiil ршфидСдЬфтздшО iqiuiiIuiGGhpQ: ¿buiuiqnini|uiô t Gluti uiufiiTiuGGhpfig ilb^i 1[РШ 1РЬ4 GbpcfiG uiGrvpiurçiupannlmJ ilfuujbpin pi[iuqhiuijii>iuuiiupuii}iG fiuttJiul|iupq U ршдшпшржЩ t шв^ршг^шрвшд шфеЬ tiGuihGufiitnipiiuG bpli^uijiuG ЦшОДшйтадтС

¿bpuifi Црш pGljGnq uiiJigfi |iGinhGu)ii|nipiniGtig: U,riiuj>fiG qi|u|i bp^pnprj iqiupuiqpiu$nul Пш24Ь t mnGi|bi iul(ui}i4 ¿hpuinut шфВ^Ьр^) ^ОтЬрфЬрЬОд^шй:

bpl|pnpn qifunul r||iiniupl)i|hi t jîiliuqfiiuifii>uiimupuii}iG fiunJuiliiupq.bpnuJ dnr).uiGbp|i ilpgmlignipiniGp m^uifi^ ¿bpuimil: Puigiufiiuiinijbi bG 6iumuqiu]piIiuG тт1Т1П1)»]шй bp\|l|Ui]iHG фп1иш0?шци1шй f¡Guipuiilnpm)»imGGbp:

bppnprç. <цт|ир Gi|>piliuö t puiqiliu2bpm pi[uiq|)uii|i{!uiinuip шЦиф^ fiuitfiul)uipqbp|iG: Umu^JiG iliuunui гфтшрЦфид t ЬрЦш urijuifiil ¿hpinfig ршг^Цшдшй fiuiiluiljiupq., |шЦ hpl|pnpr> ihuunii!' UiifißiuimupiujtiG óiuól|ru¡[»m( ш l) in fi il ßiJiuqfiiuifiEiuiniup: Umuigilbl bG fiiuiliutjiupqfi qbGbpiugfiiujfi miujitiuGGhpp, fiGjujhu GuiU bpl|l|iujniG ljuj}uiliuônijainiG ujljuifiii tfjipuiiluijpnil uiGguiô U rçpiuGfig шйцршгцирЙшй LUifipGhpli fiGinhGufiiJnipiniGGhpf) U pGl(Gnr[ uii)ipf> }iGwhGu|ii(nii»]uiG ilfi^U: