Скачиваний:
89
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
372.12 Кб
Скачать

Модовый характер излучения инжекционного лазера

Помимо общих требований к характеристикам лазера, таких как низкая пороговая плотность тока и пороговый ток, высокая дифференциальная эффективность и низкое сопротивление, существует множество специфических требований, определяемым конкретным применением. Более того, относительная важность тех или иных параметров лазера также зависит от требований данного приборного применения.

Для широкого класса применений требуется, чтобы пространственный характер распределения интенсивности излучения лазера был близок к гауссовскому. В некоторых случаях требуется достижение излучения, возможно более узкого в спектральном отношении.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 1

Оптические моды в резонаторе имеют три индекса klm, характеризующие сколько раз интенсивность поля обращается в ноль в данном направлении.

Поскольку в продольном направлении (направлении выхода света) резонатор полупроводникового лазера много больше длины волны, в продольном направлении инжекционный лазер всегда многомодовый, т.е. в нем могут сосуществовать продольные моды разного индекса.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 2

Условие образования стоячей волны – на длине резонатора укладывается целое число полуволн:

L = N λ2

где λ – длина волны света в материале

(λ=λ0/n где λ0 – длина волны в вакууме, n – показатель преломления)

Из этого можем получить разделение между ближайшими продольными модами по длине волны:

λ λ2

2nL

(приближенное равенство потому, что мы не учли дисперсию, т.е. зависимость показателя преломления от длины волны).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 3

При типичных значениях длины резонатора (~1мм), показателя преломления (около 3) и длины волны (~1 мкм), разделение мод оказывается несколько 0.1 нм, т.е. весьма мало по сравнению с шириной спектра усиления (~kT).

Это означает, что сразу для нескольких продольных мод выполняется условие порога лазерной генерации. Таким образом, спектр лазерного излучения будет содержать несколько линий с близкими, но различными длинами волн, каждая из которых отвечает определенной продольной моде.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 4

 

лазерные

 

моды

усиление,

λ

потери

 

 

спектр усиления

 

спектр потерь

 

пороговый уровень потерь

 

длина волны

 

спектральная

 

область усиления

Спектр потерь модулирован с периодом, отвечающим разделению продольных мод. Максимум спектра усиления достигает уровня пороговых потерь. Продольные моды, лежащие вблизи максимума усиления, возгораются в лазерном излучении.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 5

1.6

 

 

 

 

1.4

 

 

 

 

1.2

 

 

 

 

1.0

 

 

 

 

0.8

 

 

 

 

0.6

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

0.0

1290

1300

1310

1320

1280

Типичный спектр генерации лазера с несколькими продольными модами. При увеличении мощности наблюдается возгорание дополнительных продольных мод, приводящее к уширению спектра лазерной генерации.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 6

Одночастотное излучение требуется в первую очередь в лазерах, предназначенных для передачи данных на большие расстояния. Если одновременно будет излучаться несколько разных длин волн, то вследствие зависимости показателя преломления волокна от длины волны излучения, разные моды будут двигаться с разной скоростью, таким образом, приходя к приемнику в разные моменты времени (размытие импульса). Чтобы соседние импульсы не перекрывались, должна быть ограничена скорость передачи (количество импульсов в единицу времени) или дальность передачи.

Одночастотный лазер, таким образом, позволяет повысить дальность/скорость передачи.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 7

Неодночастотный лазер часто называется лазером Фабри-Перо (FP-laser).

Втех случаях, когда требуется одночастотный характер лазерного излучения, т.е. существование единственной продольной моды (одночастотная генерация), необходима специальная селекция мод. Суть методов селекции заключается во введении дополнительных потерь для прочих продольных мод. Наиболее широко распространенными среди одночастотных лазеров являются лазеры с распределенной обратной связью (DFB).

ВDFB-лазере селекция мод достигается за счет модуляции показателя преломления вдоль оси резонатора, достигаемой гофрированием некоторого интерфейса.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 8

 

 

лазерная

 

δλ

мода

 

 

 

 

усиление,

λ

 

 

потери

 

 

 

 

 

 

длина волны

 

 

 

спектр усиления

 

спектральная

спектр потерь

 

лазерного резонатора

 

область усиления

спектр потерь, задаваемых

 

 

 

внешним резонатором

 

 

 

пороговый уровень потерь

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 9

Мерой одночастотного лазера является SSR (sidemode suppression ratio; коэффициент подавления боковых мод, выраженный в дБ). Чем он выше, тем сильнее отличаются интенсивности основной продольной моды и ближайших к ней продольных мод (типично порядка 40 дБ).

При увеличении выходной мощности инжекционного лазера происходит постепенный переход к неодночастотному режиму генерации (уменьшение SSR). Возгорание боковых мод обусловлено так называемым выжиганием

“спектральных провалов” (spectral hole burning).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 13, стр. 10