Моей жене Оле.
з
Содержание
Введение 6
1. Шум интенсивности излучения полупроводникового лазера,
основные факты и представления. 15
1.1 Введение 15
1.2 Шумы в полупроводниковом лазере. 19
1.3 Уравнения Ланжевена-Гейзенберга. 2 5
1.3.1 Одномодовая модель лазера. 27
1.3.2 Двумодовая модель лазера. 35
1.4 Экспериментальные данные и методики измерений других авторов. 48
2 Основные характеристики лазеров, схемы экспериментальных
установок, методика измерений. 52
2.1 Характеристики лазеров. 52
2.2 Балансный детектор. 56
2.2.1 Балансный детектор с потерями. 60
2.2.2 Поляризационный делитель. Влияние моды поперечной поляризации на точность измерений. 64
2.2.3 Случай двух коррелированных мод. 69
2.3 Измеритель корреляции двух шумовых сигналов. 71
4
2.4 Спектроанализатор. Методика обработки результатов измерений. 75
2.5 Виртуальный инструмент управления спектроанализатором. 78
2.6 Характеристики фотодиодов и усилителей. Схема охлаждения
и контроля температуры лазера. 82
2.7 Экспериментальная установка для исследования корреляции шума напряжения в лазере и шума потока фотонов. 85
2.8 Экспериментальная установка для исследований шума интенсивности излучения в режиме свободной генерации и
в режиме стабилизации продольных мод . 87
2.9 Экспериментальная установка для получения и регистрации
состояния --^2,0) + |0,2)). 94
3 Результаты измерений шума интенсивности и модового состава
излучения в режиме свободной генерации. 99
3.1 Спектральная плотность мощности шума интенсивности излучения лазера в режиме свободной генерации. 99
3.2 Корреляция шума интенсивности излучения с шумом напряжения в лазере. 103
3.3 Влияние оптических потерь на корреляцию. 107
3.4 Спектры продольных мод в режиме свободной генерации. 108
3.5 Ширина контура усиления. 117
5
4 Исследование шума интенсивности излучения в режиме
стабилизации продольных мод резонатора лазера. 123
4.1 Спектры мод резонатора лазера. 123
4.2 Спектральная плотность мощности шума интенсивности излучения лазеров на длине волны 1.3 мкм. 126
4.3 Стабилизация продольных мод и сжатие шума интенсивности излучения лазеров на длине волны 0.8 мкм. 132
Заключение. 137
Список работ по теме диссертации. 139
Сп исок цитируемой литературы. 141
6
Введение.
Полупроводниковый лазер - ключевой элемент оптоэлектроники. Он используется в системах передачи, записи или считывания информации. Эффективность этих систем во многом зависит от шумовых характеристик лазерных диодов. Долгое время пределом уменьшения шума считался уровень дробового шума и обширные экспериментальные факты, казалось бы, подтверждали это положение. Термин «дробовой шум» был введен Шотгки для обозначения импульсного случайного процесса, имеющего равномерную спектральную плотность до очень высоких частот и описываемгого формулой Шоттки. Такой шум иногда называют «белым шумом».
Полуклассический подход рассматривает моменты обнаружения фагонов как случайные дискретные события и, следовательно, их флуктуации описываются распределением Пуассона, то есть характеризуются дробовым шумом. Однако в последовательной квантовой теории моменты обнаружения фотонов могут быть скоррелированными, что приводит к суб-пуассоновскому распределению флуктуаций, то есть субдробовому шуму (сжатию) [1,
2]. Сжатое состояние не может рассматриваться просто как бесшумное классическое поле. Его поведение и взаимодействие со многими физическими системами фундаментально отличается от эквивалентного
7
полуклассического описания [3]. Например, было предсказано [4], что взаимодействие сжатого состояния света с атомными системами приводит к неклассическому подавлению скорости спонтанного распада и изменению скорости двухфотонного поглощения.
Первыми, кто сформулировал условия, при которых возможна антигруппировка излучаемых лазером фотонов, были Голубев и Соколов [5]. Позднее Ямамото показал [6-8], что идеальным источником сжатого по числу фотонов света может быть полупроводниковый лазер с высокой квантовой эффективностью, который накачивается электрическим током. Спектральная плотность мощности излучения полупроводникового лазера сильно меняется на разных частотных интервалах [9]. В области низких частот, соогветствующим времени наблюдения, которое больше времени жизни носителей и времени жизни фотонов в резонаторе, инверсия населенности успевает отслеживать случайные колебания, обусловленные уходом фотонов из резонатора. Этот процесс приводит к снижению шума интенсивности излучения ниже дробового уровня уже при относительно небольшом превышении порогового тока - обычно достаточно превышения в три - четыре раза. Однако это справедливо только для случая идеального лазера, в котором все остальные источники шума подавлены. Реальный полупроводниковый лазер
8
представляет собой достаточно сложную систему, элементы которой проявляют нелинейные свойства, что приводит к нелинейным межмодовым взаимодействиям и получение амплитудного сжатия в нём обычно затруднено.
Приведённые в литературе результаты измерений показывают, что при низких температурах шум потока фотонов хорошо описывается данной теорией [6], которую в дальнейшем мы будем называть одномодовой. В реальном лазере всегда присутствуют в гой или иной степени подавленные боковые продольные моды, моды ортогональной поляризации и поперечные моды высшего порядка. Поэтому при комнатной температуре, уже при двух-трех кратном превышении тока накачки / над пороговым значением 1Л9 шум потока фотонов в большинстве случаев оказывается значительно выше предсказываемого одномодовой теорией уровня. Ясно, что для подавления этого добавочного шума необходимо подавить под пороговые моды, но не ясно в какой степени. Эксперименты подтверждают правильность этого положения [10]: уменьшение шума ниже дробового уровня было достигнуто введением селективной обратной связи от дифракционной решетки или повышением добротности центральной моды за счёт инжекции излучения от управляющего лазера. Однако остаётся открытым вопрос, на сколько необходимо подавить подпороговые
9
моды, чтобы режим генерации можно было бы с высокой степенью точности считать одномодовым.
Продвижение по пути изучения квантовых шумовых процессов в полупроводниковых лазерах важно по двум причинам. С одной стороны, глубина проявления многих неклассических эффектов в квантовой оптике напрямую зависит от величины сжатия или квантовой корреляции, имеющейся в оптическом состоянии [11], сжатое по числу фотонов состояние может быть использовано в таких областях, как спектроскопия [12], точные измерения [13], волоконно-оптическая связь и визуализация изображений, биомедицинские исследования [14]. И, с другой стороны, кроме генерации сжатых состояний, полупроводниковые приборы являются удобным объектом неклассического поведения. Изучая квантовые шумовые процессы в полупроводниковых лазерах, можно получить информацию по квантовой теории лазеров и микроскопическому поведению полупроводниковых электрооптических устройств.
Цель работы
Цель работы состояла в изучении влияния модового состава излучения полупроводниковых лазеров различных типов на шум интенсивности излучения и в разработке экспериментальных методов наблюдения шума и способа подавления паразитных шумов.
10
В работе исследовались инжекционные гетеролазеры структуры АЮаАБ/СаАя и 1пОаАзР/1пР [15], излучающие в диапазонах ^=0.8 мкм и Я.=1.3 мкм соответственно, выращенные в лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им А.Ф. Иоффе. РАН.
Научная новизна
работы заключается в том, что в ней проведены экспериментальные и теоретические исследования влияния подпороговых мод на общий шум интенсивности излучения полупроводникового лазера, в том числе:
1. Показано, что возникновение избыточного шума при комнатной температуре обусловлено присутствием в излучении лазера подпороговых мод.
2. Впервые продемонстрировано, что для получения одномодового, амплитудно сжатого излучения полупроводникового лазера необходимо глубокое подавление подпороговых мод, которое может быть практически реализовано введением обратной связи от дифракционной решетки.
3. Установлено, что шум напряжения на переходе полупроводникового лазера на пороге генерации отрицательно коррелирован с шумом потока фотонов.
11
4. Получено сжатое по флуктуациям числа фотонов излучение в режиме стабилизации продольных мод. Показано, что полученный уровень шума соответствует одномодовой модели.
Практическая ценность
1. Получено сжатое по флуктуациям числа фотонов излучение,
которое может быть использовано в таких областях, как спектроскопия, точные измерения, волоконно-оптическая связь и визуализация изображений, биомедицинские исследования.
2. Сформулирован критерий, в каких случаях шумом подпороговых мод можно пренебречь и полагать, что шум данного лазера не отличается от шума интенсивности излучения одномодового лазера.
3. Создана установка, позволяющая проводить точное сравнение шума интенсивности излучения с уровнем дробового шума.
Положения, выносимые на защиту.
1. Установлена отрицательная корреляция между шумом напряжения в полупроводниковом лазере и шумом интенсивности излучения полупроводникового лазера на пороге генерации.
2. Указанная корреляция в области порога генерации не разрушается при внесении слабых оптических потерь, таких что общая квантовая
12
эффективность передачи ток накачки - фототок много больше, чем куб параметра накачки г = — -1
3. Возникновение избыточного шума при комнатной температуре обусловлено в основном присутствием в излучении лазера подпороговых мод.
4. В полупроводниковом лазере возможна генерация амплитудносжатого света в режиме стабилизации продольных мод резонатора с помощью дифракционной решетки.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях в отечественных и зарубежных журналах, а также в трудах и тезисах российских и международных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 110 наименований. Объём работы составляет 154 страницы машинописного текста, включая 29 рисунков и 4 таблицы
В главе 1 дан обзор теоретических и экспериментальных работ, посвящённых проблемам генерации неклассического света полупроводниковым лазером, а также использованию его квантовых свойств в различных оптико-физических измерениях. Кратко изложена одномодо-
13
вая теория шума интенсивности излучения полупроводникового лазера. Рассмотрен случай возбуждения основной моды и сильно подавленной боковой, определены условия, когда шумом подпороговой моды можно пренебречь. Приведены результаты экспериментов других авторов, описаны наиболее часто используемые экспериментальные методики.
В главе 2 приведены основные характеристики исследованных лазеров, описан гомодинный балансный детектор, проведена оценка погрешности измерений для различных методов детектирования, Рассмотрен случай, когда на оба входа делителя поступают коррелированные фотонные пары, приведены соответствующие экспериментальные данные. В главе 2 также описан коррелятор шумовых сигналов, экспериментальные установки для измерения шума интенсивности излучения полупроводникового лазера в режиме свободной генерации, в режиме стабилизации мод внешней дифракционной решеткой, а также для измерения шума напряжения на переходе и его корреляции с шумом интенсивности излучения. Приведена методика обработки результатов измерения, проанализированы потенциальные источники погрешности.
В главе 3 приведены результаты измерения шума потока фотонов в режиме свободной генерации, сделан вывод о необходимости стабилизации одночастотного режима из-за присутствия в излучении лазера подпороговых боковых мод. Измерена корреляция шума напряжения на
- Київ+380960830922