к
2
Оглавление
Введение..............................................................5
Глава 1. Инжекционные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. (Обзор
литературы).....................................................10
§1.1. Области применения инжекционных лазеров с внешним резонатором на
волоконной брэгговской решетке..................................10
§1.2. Особенности конструкции инжекционных лазеров с волоконной
решеткой во внешнем резонаторе..................................17
§1.3. Ширина линии генерации инжекционных лазеров с внешним
резонатором на ВБР..............................................22
§1.4. Возможности применения ЛД с ВБР в качестве перестраиваемого
источника излучения.............................................26
§1.5. Анализ методов получения непрерывно перестраиваемого одночастотного режима генерации в инжекционных лазерах..........28
Глава 2. Экспериментальные установки, методики исследований, образцы лазеров и волоконных решеток............................33
§2.1. Конструкция и параметры исследованных образцов лазеров, лазерных
чипов и волоконных решеток......................................33
§2.1.1. Гибридные лазеры промышленной сборки.........................33
§2.1.2. Лазерные чипы и волоконные решетки для создания перестраиваемых одночастотных гибридных лазеров для спектроскопических
применений......................................................37
§2.2. Методика исследования ватт-амперных характеристик..............41
§2.3. Установка и методика исследований одно частоти о го режима с узкой линией и его перестройки с помощью волоконных интерферометров
Маха-Цендера.....................................................46
§2.4. Установка и методика исследований перестройки частоты генерации с
помощью эталона Фабри-Перо.......................................53
§2.5. Изготовление микролинзы на торце волоконного световода...........55
Глава 3. Исследование когерентных свойств излучения промышленных образцов ЛД с ВБР................................................59
§3.1. Измерение оптических характеристик волоконных брэгговских решеток в составе гибридного резонатора. Спектры генерации инжекционных
лазеров вблизи порога............................................59
§3.2. Ватт-амперные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором и зависимости мощности генерации от температуры.
Модовый состав и спектры генерации...............................64
§3.3. Исследование одночастотного режима с узкой линией генерации. Когерентные свойства и перестроечные характеристики инжекционных лазеров с гибридным резонатором на волоконных
решетках.........................................................73
§3.4. Обсуждение экспериментальной зависимости перестройки частоты генерации от тока накачки в ЛД с ВБР.............................86
Глава 4. Исследования по разработке и созданию новых инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке..........................................................90
§4.1. Предварительные исследования, по созданию ЛД с ВБР с диапазоном непрерывной перестройки более 30 ГГц.............................90
§4.2. Создание широко перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии
поглощения метана.................................................96
§4.3. Создание перестраиваемого ЛД с ВБР для регистрации линии
поглощения аммиака...............................................104
§4.4. Ширина линии генерации созданного лазерного модуля на длину волны
1,5225 мкм....................................................113
Заключение............................................................116
Литература............................................................118
5
Введение.
Развитие инжекционных полупроводниковых лазеров на протяжении последних 30 лет тесно переплетается с развитием волоконной оптики. Перспективы, открываемые волоконно-оптической связью [I], послужили стимулом для бурного роста числа исследований и практических разработок полупроводниковых лазеров как источников излучения для волоконно-оптических применений. За это время было решено множество проблем, таких как эффективная стыковка активной области лазера с волоконно-оптическим трактом, создание инжекционных лазеров на длины волн около
1,3 и 1,55 мкм, попадающих в области прозрачности волоконных световодов, достижение минимальных потерь в кварцевых волокнах, высокочастотная модуляция выходного излучения лазера током накачки и т.д.
Одной из важнейших задач для многих практических и научных применений инжекционных лазеров является проблема получения одночастотного режима генерации и возможность управления этим режимом. Именно одночастотный режим является необходимым условием для таких применений, как интерференционные датчики различных физических величин, системы оптической связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектроскопия молекул и т.д.
Существует несколько методов обеспечения одночастотной генерации в инжекционных лазерах [2, 3, 4]. Среди них следует особо выделить метод, основанный на использовании в качестве зеркала во внешнем резонаторе брэгговской решетки показателя преломления, записанной в одномодовом волоконном световоде. При простоте реализации по сравнению с другими методами, в таком подходе сочетаются преимущества инжекционных лазеров и волоконных брэгговских решеток, а именно:
• компактные размеры
• простота модуляции током накачки
• высокая спектральная селективность
• естественное сопряжение с волоконно-оптическими технологиями
Лазерные диоды с волоконной брэгговской решеткой (ЛД с ВБР) во внешнем резонаторе изучаются с середины 80-х годов [5, 6, 7, 8] и получили в литературе название гибридных лазеров. К настоящему времени известно, что в таких лазерах можно получить одночастотный режим с узкой (5у«1 кГц [4, 19]) линией генерации. Продемонстрировано стабилизирующее влияние волоконной решетки на длину волны генерации лазера. В последние годы проводятся интенсивные исследования ЛД с ВБР ввиду перспективы их применения в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом решаются задачи генерации солитонных импульсов с высокой частотой следования, а также задачи удержания длины волны генерации в жестко заданных спектральных интервалах (Д7.=4А), отведенных под каналы передачи данных в ОХУИМ-системах связи.
В то же время, остаются малоизученными некоторые вопросы, представляющие интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Необходимо отметить, что на сегодняшний день не проводилось целенаправленных исследований лазеров данной конструкции на предмет получения одночастотного режима генерации, непрерывно перестраиваемого током накачки в достаточно широком (более 30 ГГц) частотном диапазоне. Вопросы, связанные с перестройкой частоты генерации в течение импульса накачки (чирп частоты) если и обсуждаются, то только как нежелательный эффект, который должен быть сведен к минимуму. Между тем, создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволило бы говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность применять такие
лазеры в молекулярной спектроскопии, датчиковых системах детектирования отдельных газов и т.д.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию перестроечных характеристик и когерентных свойств инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. В работе рассматривается вопрос о ширине линии генерации таких лазеров. Изучается перестройка частоты генерации током накачки в режиме с узкой линией генерации. Предложен и впервые реализован новый подход к созданию перестраиваемых ЛД с ВБР для целей диодной лазерной спектроскопии. При этом продемонстрирована возможность применения данных лазеров для регистрации газов имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (>.=0,7*г1,7 мкм).
Содержательная часть диссертационной работы состоит из четырех
глав.
В Главе 1 дан обзор литературы по инжекционным лазерам с волоконной решеткой во внешнем резонаторе. Обсуждаются особенности конструкции резонатора ЛД с ВБР и области применения таких лазеров. В этой главе также приводится сравнительный анализ методов получения одночастотного перестраиваемого режима генерации в инжекционных лазерах. Подробно описаны основные идеи по созданию таких лазеров, указаны возможные области применения. Рассмотрены основные теоретические представления о ширине линии генерации и влияющих на нее факторов.
Глава 2 посвящена описанию элементной базы, приборов и экспериментальных установок, использованных при исследовании инжекционных лазеров с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе. Описаны особенности конструкции промышленно изготовленных образцов лазеров, а
также приведены характеристики лазерных чипов и брэгговских решеток, которые применялись при разработке и создании новых лазеров, обладающих расширенным диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. В главе также рассмотрены методики исследований когерентных и перестроечных свойств лазеров.
В Главе 3 приведены результаты исследований когерентных свойств и перестроечных характеристик инжскционных лазеров с волоконной брэгговской решеткой, передняя грань которых имела просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения 112<0,005. Обсуждаются условия возникновения одночастотного режима с узкой линией генерации, и проводится сравнение измеренной ширины линии с теоретическими оценками. Представлены результаты исследований зависимостей мощности генерации от температуры при различных токах накачки. Значительное внимание уделено особенностям перестройки частоты генерации током накачки.
В Главе 4 изложены результаты исследований по разработке и созданию одночастотных диодных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке, обладающих широким (более 30 ГГц) диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. Представлены результаты экспериментов по регистрации линий поглощения метана и аммиака с помощью ЛД с ВБР созданных на основе предложенного в данной работе подхода.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1. В диодных лазерах с просветленной до 112 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе, при длинах резонатора ~1см реализуется одночастотный режим с шириной линии генерации 10-И00 кГц и диапазоном непрерывной перестройки частоты током накачки 20 - 200 МГц.
2. Мощность генерации гибридных лазеров при постоянном токе накачки имеет периодическую зависимость от температуры Р=Р(Т), и
одночастотный режим генерации наблюдается при температурах соответствующих участкам dP/dT< 0 на зависимостях Р(Т).
3. В одночастотном режиме генерации гибридных лазеров с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью на зависимостях частоты генерации от тока накачки наблюдается точка возврата частоты, в которой скорость перестройки dv/dJ„ меняет знак, а значение скорости перестройки частоты в области точки возврата составляет
1ч-10 МГц/мА.
4. Использование волоконных брэгговских решеток с широким спектром отражения (3-г 10 А) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлена до остаточного коэффициента отражения R=0,014-0,02, позволяет создавать одночастотные лазеры, непрерывно перестраиваемые током накачки в широком диапазоне по частоте (>30 ГГц). Такие лазеры могут быть созданы на любую длину волны, попадающую в область прозрачности волоконных световодов (0,74-1,7 мкм) и позволяют проводить регистрацию отдельных линий поглощения различных
газов.
Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях и
докладывались на Научно-практической конференции «Оптические сети связи в России: наука и практика» (апрель 2002 г., г.Москва), на международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (июнь 2003 г., г.С-Петербург), на международной конференции по диодной лазерной спектроскопии «TDLS-2003» (июль 2003 г., г.Зерматт, Швейцария), на общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (октябрь 2003 г. и октябрь 2004 г., г.Москва).
Глава 1. Инжекционные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке, (обзор литературы)
§1.1. Области применения инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке.
Идея использования волоконных брэгговских решеток (ВБР) в качестве зеркала внешнего резонатора полупроводниковых лазеров возникла в середине 80-х годов вместе с появлением первых образцов таких решеток. Волоконная брэгговская решетка представляет собой периодическое изменение показателя преломления, наведенного в сердцевине волоконного световода. Благодаря большому количеству «штрихов» (до 10000) ВБР обладают высокой спектральной селективностью. Ширина спектра отражения волоконных решеток может составлять от 0,1 нм до 10 нм, что позволяет осуществлять обратную связь в узком интервале длин волн и, таким образом, обеспечивать одночастотный режим генерации ЛД с ВБР. Применение ВБР выгодно отличается от других методов получения одночастотной генерации, прежде всего, своей простотой, поскольку не требует вмешательства в структуру лазерного чипа, как в случае РОС и РБЗ лазеров и не нуждается в сложной электромеханической системе, как в случае применения дифракционной решетки. При этом использование волоконной решетки позволяет сохранить компактность лазера и обеспечивает естественное сопряжение с волоконной оптикой.
В первых работах [5, 6, 7, 8], посвященных ЛД с ВБР, волоконные решетки формировались на боковой поверхности световода посредством метода, описание которого можно найти в [9, 10]. После изобретения нового более гибкого и удобного способа записи волоконных брэгговских решеток
- Київ+380960830922