Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Радиофизика

Диссертационная работа:

Скоров Дмитрий Владимирович. Излучательные характеристики инжекционных лазеров со связанными вертикальными резонаторами : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.03 Москва, 2007 109 с., Библиогр.: с. 94-109 РГБ ОД, 61:07-1/1406

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава I. Обзор литературы

1. Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (ЛВР) 12

2. Физические особенности ЛВР 16

3. Методы моделирования ЛВР 19

4. Конструкция современных ЛВР 21

  1. Способы электронного и оптического ограничения 21

  2. Мезаструктура 22

  3. Ионное ограничение 23

  4. Оксидная апертура 23

5. Актуальные направления исследований 24

  1. Одночастотный ЛВР повышенной мощности 24

  2. Длинноволновые ЛВР 32

  3. Многомодовые ЛВР большой мощности 32

  4. Перестраиваемые ЛВР 32

  5. Двухчастотные ЛВР 34

6. Лазеры со связанными вертикальными резонаторами (ЛСВР) 35

  1. Общая характеристика 39

  2. Экспериментальные работы 39

  3. Теоретические работы 45

  4. Актуальность темы 46

Глава II. Математическая модель ЛСВР

1. Постановка задачи 43

2. Обоснование построения математической модели 43

3. Метод эффективной частоты для решения волнового уравнения 46

4. Скоростные уравнения 49

  1. Скоростные уравнения в простейшей форме 49

  2. Понятие коэффициента оптического ограничения 50

  3. Скоростные уравнения с учетом пространственных 53

зависимостей параметров

  1. Скоростные уравнения для лазера со связанными резонаторами-- 55

  2. Расчет выходной мощности лазера 56

5. Описание активной области 57

  1. Растекание тока накачки 57

  2. Локальное усиление 69

  3. Показатель преломления в активной области 59

6. Уравнения модели и численные методы их решения 59

7. Конструктивные параметры ЛСВР 62

Глава III. Структура и методы селекции поперечных мод ЛСВР

1. Общие особенности 65

2. Ионная имплантация для селекции поперечных мод 68

3. Параметры геометрического рельефа излучающей поверхности

71
ЛСВР, обеспечивающие селекцию поперечных мод

Глава IV. Структура и методы селекции продольных мод ЛСВР

1. Основные параметры конструкции, определяющие структуру

77
продольных мод ЛСВР

2. ЛСВР с резонаторами одинаковой оптической длины 78

3. ЛСВР с резонаторами разной оптической длины 80

4. Предельные значения спектрального интервала между продольными

81
модами

5. Управление спектральными характеристиками ЛСВР при помощи

85
токов накачки

6. Мощность генерации в двухчастотном режиме 90

7. Особенности вывода излучения из ЛСВР 91

8. Схема ЛСВР для двухчастотной генерации 92

9. Точность предложенной модели 94

Выводы 96

Литература 94

Введение к работе:

Актуальность темы исследования

Диссертационная работа относится к области оптоэлектроники, изучающей проблемы одновременного использования оптических и электрических методов обработки, передачи и хранения информации. Основные элементы оптоэлектроники -источники света, оптические среды и фотоприемники. Именно благодаря быстрому развитию технологий в этой области, а точнее в системах оптоволоконной передачи данных, произошел глобальный технологический и научный прорыв в области коммуникаций - появилась всемирная компьютерная сеть интернет. Одной из основных составляющих технологической революции явилось создание компактных и легко управляемых источников когерентного излучения - полупроводниковых лазеров. Начало быстрого прогресса в разработках таких лазеров было положено в научной группе Ж.И. Алферова, где был создан первый полупроводниковый лазер на гетероструктуре в системе GaAs-GaAlAs, работающий при комнатной температуре. В результате успешного развития технологии создания гетероструктур полупроводниковые лазеры стали самым распространенным в мире источником когерентного излучения. В 1977 году японским ученым Кеничи Ига была предложена новая геометрия полупроводникового лазера, а сконструированное им устройство получило название "лазер с вертикальным резонатором" (ЛВР, англ. обозначение -VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Основная идея, заложенная в основу новой геометрии прибора, заключалась в выводе излучения не с торцов лазера в плоскости гетероперехода, а перпендикулярно ей. Это позволило облегчить изготовление и тестирование новых устройств, а также заметно упростило их интеграцию с другими элементами оптоэлектроники. Удачными оказались и рабочие характеристики новых лазеров. ЛВР отличаются от полупроводниковых лазеров излучающих с торца симметричной диаграммой направленности излучения, малыми токами накачки, одномодовым по продольным модам режимом генерации. Первая публикация по этим лазерам появилась в 1978 году, а первое работающее устройство было создано в 1979 году. В дальнейшем ЛВР прошли такой же путь развития, как и полупроводниковые лазеры традиционной геометрии. Демонстрация генерации при

комнатной температуре относится к 1988 году. Интенсивные исследования, направленные на создание ЛВР с длинами волн 980, 850 и 780 нм, проводившиеся с 1992 года, завершились появлением коммерческих лазеров такого типа.

В наши дни развитие этой технологии продолжается. Широкое использование лазеров с вертикальным резонатором в современной оптоэлектронике ограничивается рядом нерешенных проблем. Можно выделить следующие актуальные темы исследований в данной области.

Создание длинноволновых (1300-1550 нм.) и перестраиваемых ЛВР важно для замены полупроводниковых лазеров классической геометрии, используемых в оптоволоконных системах передачи данных на большие расстояния. В таких системах традиционно применяются именно длинноволновые лазеры, т.к. длину волны излучения передатчика выбирают в соответствии с существующими в оптическом волокне спектральными зависимостями затухания и дисперсии. Перестройка длины волны излучения лазера необходима для реализации возможности использования одного прибора в качестве передатчика сразу для нескольких каналов в системах передачи данных со спектральным уплотнением. Помимо этого, перестройка длины волны позволяет поддерживать спектр излучения прибора постоянным, невзирая на колебания температуры и другие факторы. Другие применения таких устройств могут лежать и в области спектроскопии.

Двухчастотные источники излучения на основе технологии ЛВР могут быть использованы в системах передачи данных, в интерферометрии, в системах считывания и записи информации.

Одночастотные ЛВР уже давно выпускаются промышленностью. Однако их мощность излучения, как правило, не превышает 1 мВт, что не всегда достаточно для применений в системах оптоволоконной передачи данных без использования дополнительных усилителей. Кроме того, неоднократно отмечались трудности в управлении поляризацией излучения лазеров этого типа. Исследования, целью которых является создание одночастотного ЛСВР с фиксированной поляризацией и повышенной мощностью излучения, ведутся многими научными группами во всем мире.

В качестве одного из возможных путей решения ряда этих проблем предложена конструкция лазера с двумя связанными вертикальными резонаторами (ЛСВР).

Действительно, в экспериментах такие лазеры уже продемонстрировали режим двухчастотной генерации, режим одночастотной генерации мощностью свыше 6 мВт, возможности управления поляризацией излучения в процессе работы. Близкая к ЛСВР схема была предложена для перестройки длины волны излучения лазера в процессе работы.

Полученные в экспериментах результаты являются интересными для применений в оптоэлектронике. За последние несколько лет было опубликовано более двух десятков экспериментальных работ, посвященных этой теме. Однако во многих случаях экспериментальные работы ведутся без надлежащего теоретического осмысления и описания.

Авторам одной из экспериментальных работ пришлось изготовить целый набор подобных устройств с целью определения параметров конструкции, наиболее подходящих для селекции поперечных мод. Подобные трудности можно ыло устранить, проведя заранее оптимизацию конструкции лазера с использованием математической модели и методов численного моделирования. Цель такой оптимизации должна состоять не только в увеличении мощности излучения лазера, но и сохранении одного из основных преимуществ ЛВР - низких пороговых токов накачки.

Еще в первых экспериментах с ЛСВР была продемонстрирована возможность управления спектральными характеристиками устройства за счет изменения соотношения токов накачки резонаторов. Однако до появления в конце 2004 года первой публикаций с анализом работы ЛСВР с использованием скоростных уравнений определить искомые соотношения токов можно было только экспериментально. Актуальность этой проблемы сохранилась и сейчас, т.к. используемые в указанной работе скоростные уравнения не учитывают зависимости параметров излучения и накачки от пространственных координат. Из-за этого рассчитанные значения пороговых токов генерации продольных мод расходятся с экспериментальными данными в 1.5 - 2 раза, а теоретические оценки генерируемой лазером мощности вообще не проводились.

Существует ряд проблем, которые не рассматривались ни в теоретических, ни в экспериментальных работах. При создании ЛСВР для двухчастотной генерации неизбежно встают вопросы о величине возможного спектрального интервала между

излучаемыми модами, о принципиальных требованиях к конструкции лазера, обеспечивающей стабильную двухчастотную генерацию.

Отсутствие достаточно точного математического описания ЛСВР мешает реализации преимуществ таких устройств и их более широкому внедрению в оптоэлектронные системы. На данный момент в литературе можно найти лишь примеры самосогласованных моделей ЛВР с одним резонатором. Упомянутые выше работы рассматривают упрощенные (без зависимости переменных от пространственных координат) скоростные уравнения для ЛСВР. Эти модели не могут дать точного описания физических процессов, происходящих в устройстве, еще и потому, что в них отсутствует важнейшая часть теоретического описания любого лазера - задача нахождения распределения электромагнитного поля внутри структуры. В частности, важная при оптимизации лазера для одночастотной генерации проблема нахождения распределения интенсивности поперечных мод и описания их конкуренции вообще не рассматривалась. Математическая модель, позволяющая проводить подробное теоретическое исследование ЛСВР, с одной стороны необходима для совершенствования конструкции подобных приборов, а с другой она может позволить более полно раскрыть потенциальные возможности таких устройств в современной оптоэлектронике.

Цели диссертационной работы

Цели диссертационной работы состояли в создании метода теоретического описания ЛСВР и его применении для исследования и оптимизации излучательных характеристик полупроводниковых лазеров со связанными вертикальными резонаторами. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Разработана математическая модель ЛСВР и создана программа для численного моделирования процессов генерации, происходящих в таких устройствах.

  2. С использованием созданной модели определены: (1) пределы изменения спектрального интервала между излучаемыми модами в режиме двухчастотной генерации; (2) условия возбуждения продольных мод лазера; (3) длины волн и пространственные распределения мод, а также (4) вариаций этих параметров в процессе генерации.

  1. Детально изучены и объяснены причины перехода ЛСВР из режима двухчастотной генерации в одночастотный и наоборот, наблюдавшегося в экспериментах.

  1. В применении к лазеру с двумя связанными резонаторами оценена эффективность способов подавления поперечных мод, использованных ранее для решения подобных задач в однорезонаторных ЛВР. Оптимизированы параметры селектирующих конструкций, обеспечивающих максимальное подавления поперечных мод высоких порядков.

Научная новизна диссертационной работы

  1. На основе модернизированного метода эффективной частоты решения волнового уравнения впервые предложена и реализована самосогласованная динамическая математическая модель инжекционного лазера со связанными вертикальными резонаторами, учитывающая динамическое изменение профилей мод в процессе генерации, диффузию и пространственное выжигание носителей в активных слоях, зависимость показателя преломления активной области от концентрации носителей. Модель реализована без упрощений уравнений для аксиально-симметричных устройств.

  2. Установлено впервые, что спектральные интервалы между продольными модами ЛСВР при двухчастотной генерации лежат в пределах от 0.08 до 60 нм. Определены параметры конструкции устройства, необходимые для реализации заданных спектральных интервалов между модами.

  3. Показано, что ионная имплантация является более эффективной технологией для подавления поперечных мод, чем формирование рельефа на излучающей поверхности ЛСВР за счет удаления одного или нескольких слоев верхнего брэгговского зеркала. Установлено, что сопоставимая эффективность подавления мод для этих двух конструкций может быть достигнута лишь при глубоком (порядка несколько сотен нм) травлении верхнего брэгговского зеркала с целью формирования на нем рельефа.

Научная и практическая значимость работы

Созданная математическая модель может быть использована для улучшения излучательных характеристик ЛСВР. Модель позволяет достаточно точно (в большинстве случаев с погрешностью в пределах 10-15%) предсказывать значения пороговых токов и мощностей конструируемого прибора.

Оптимизация конструкции лазера и модельный расчет позволяют повысить эффективность проектирования инжекционных лазеров для волоконно-оптических линий связи, приборов для считывания или записи информации и других устройств, составляющих основу современной оптоэлектронной техники. Возможность расчета спектральных интервалов между продольными модами ЛСВР и параметры конструкции устройства для их реализации могут быть использованы при проектировании двухчастотных лазеров с заданными спектральными характеристиками.

Положения, выносимые на защиту

  1. Анализ и доказательство возможности генерации в ЛСВР двух продольных мод, разделенных спектральным интервалом, лежащим в пределах от 0.08 до 60 нм. Нижнюю границу указанного интервала определяют тепловые эффекты и точность изготовления устройства, верхнюю - конечная полоса коэффициента отражения брэгговских зеркал. Величину спектрального интервала между модами определяют коэффициент пропускания среднего зеркала и соотношение оптических длин резонаторов.

  2. Для реализации стабильного двухчастотного режима генерации в лазерах со связанными вертикальными резонаторами целесообразно использовать лазер с резонаторами разной оптической длины. Достаточная для достижения стабильного режима генерации расстройка оптических длин резонаторов может быть обеспечена не только выбором нужных геометрических параметров устройства, но и использованием зависимости показателей преломления от концентраций носителей тока.

3. Ионная имплантация является более эффективной технологией

подавления поперечных мод, чем формирование рельефа на излучающей поверхности ЛСВР за счет удаления одного или нескольких слоев верхнего брэгговского зеркала. Сопоставимая эффективность подавления мод может быть достигнута лишь при травлении верхнего брэгговского зеркала с целью формирования на нем рельефа глубиной порядка нескольких сотен нанометров.

Апробация диссертационной работы

Результаты работы были представлены на 4 международных научных конференциях:

  1. "Квантовая Электроника 2006", Белоруссия, Минск, Ноябрь 2006.

  2. International Conference on LASER and FIBER-OPTICAL NETWORKS MODELING (LFNM), Украина, Харьков, Июнь 2006.

  3. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2005", Москва, Апрель 2005.

  4. International Conference on LASER and FIBER-OPTICAL NETWORKS MODELING (LFNM), Украина, Алушта, Июнь 2003.

По материалам диссертации были сделаны доклады на семинарах кафедры Физики колебаний физического факультета МГУ, а также на семинарах лаборатории "Быстропротекающих процессов в приборах и материалах твердотельной электроники".

По результатам исследований опубликованы 3 статьи и 5 тезисов докладов на конференциях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Подобные работы
Казакевич Владимир Станиславович
Спектрально-временные характеристики излучения импульсного электроионизационного СО-лазера
Гладышев Алексей Вячеславович
Инжекционные лазеры с гибридным резонатором на волоконной брэгговской решетке
Гулямова Эльмира Сайфутдиновна
Лазеры с длинным резонатором
Шулятьев Виктор Борисович
Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах
Микерин Сергей Львович
Улучшение характеристик излучения твердотельных лазеров методом компенсации термических искажений резонатора с использованием высокоэффективных активных сред и систем накачки
Лу Линьлун
Исследование радиационного воздействия ионизирующих излучений на газоразрядные и электродинамические характеристики резонаторов
Ершов Георгий Радиевич
Улучшение квантовых характеристик излучения лазера с трехуровневой активной средой в каскадных схемах
Дюделев Владислав Викторович
Пороговые, спектральные и пространственные характеристики GaAs/AlGaAs лазеров с искривленными штрихами брегговской решетки обратной связи, обеспечивающей фокусировку выходного излучения
Филонов Александр Григорьевич
Влияние температурных неоднородностей на характеристики излучения в лазерах на парах металлов в режиме саморазогрева
Тарасов Илья Сергеевич
Исследование излучательных характеристик гетероструктур InGaAsP/IпР и лазеров на их основе

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net