автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Полупроводниковые оптические усилители бегущей волны ближнего ИК-диапазона спектра и приборы на их основе

На правах рукописи

Лобнииов Андреи Александрович

Полупроводниковые оптические усилители бегущей волны ближнего ИК-диапазона спектра и приборы на их основе.

05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

005534432

МОСКВА

-2013

005534432

Работа выполнена в ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Якубович Сергей Дмитриевич

доктор технических наук, Дураев Владимир Петрович,

ОАО НИИ «Полюс», научный консультант

кандидат физико-математических наук, Петровский Александр Владимирович, ООО «СИГМ+», инженер

Ведущая организация: Научно-производственное предприятие

«Инжект»

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха по адресу: 117342, Москва, ул. Введенского, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха.

Автореферат разослан «У/А> 13 г.

Автореферат размещен на сайте института http://www.polys.lnfo/ и сайте ВАК http://vak.ed.gov

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н.

О НИИ «Полюс»

Кротов Ю. А.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

На сегодняшний день наиболее широкое применение полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) находят в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ) [1]. Использование ПОУ в ВОСПИ не ограничивается ретрансляторами и приемными устройствами. Они также широко применяются в качестве модуляторов, логических затворов, переключателей, маршрутизаторов, нелинейных конверторов [2, 3]. В последние годы широкое распространение получили локальные ВОСПИ, в которых используется излучение «ближайшего» ИК-диапазона спектра 800-1000 нм, однако, для этих систем ПОУ пока не востребованы.

ПОУ спектрального диапазона 750-1100 нм применяются, главным образом, в качестве выходных усилителей для различных маломощных лазерных систем, а также в качестве активных элементов инжекционных полупроводниковых лазеров с внешним резонатором (ИЛВР). В частности, ПОУ во внешнем кольцевом оптоволоконном резонаторе позволяет реализовать гироскоп (ВОГ) на основе эффекта Саньяка [4]. Используя в ИЛВР различные спектрально-селективные элементы, можно реализовать быстроперестраиваемые лазеры для исследования биологических тканей и различных материалов методами оптической когерентной томографии (ОКТ) [5].

Для решения некоторых задач спектроскопии и интерферометрии требуются источники достаточно яркого излучения со спектральной шириной линии от десятых долей до единиц нм. Такие источники реализуются на базе ПОУ и волоконных брэгговских решеток (ВБР), при записи которых можно с высокой точностью обеспечить требуемые характеристики спектра отражения [6].

На оптоэлектронном рынке большую долю составляют ПОУ спектрального диапазона 1300-1600 нм. Гораздо слабее представлены ПОУ "ближайшего" ИК-диапазона. Поэтому цель данной работы заключалась в разработке ПОУ, не представленных на оптоэлектронном рынке, или ПОУ с выходными параметрами, превосходящими их аналоги, коммерчески доступные на сегодняшний день, а также в разработке новых приборов на их основе.

В рамках диссертационной работы велись исследования по следующим направлениям:

■ разработка новых типов и усовершенствование ПОУ бегущей волны ближнего ИК-диапазона;

■ создание широкополосных ПОУ с различными центральными длинами волн, путем исследования и оптимизации квантоворазмерных гетероструктур (КРС), геометрии активных элементов и режимов работы ПОУ;

■ создание достаточно надежных ПОУ с повышенной выходной мощностью;

■ разработка узкополосных двухпроходных суперлюминесцентных диодов (СЛД) на базе ПОУ и волоконно-оптических брэгговских решеток (ВБР);

■ исследование и разработка быстроперестраиваемых лазеров на основе ПОУ-модулей и управляемых спектральных фильтров, акусто-оптических (АОПФ) [7] и типа Фабри-Перо (ПФФП), во внешнем оптоволоконном резонаторе;

■ исследование систем задающий генератор-усилитель мощности (МОРА), содержащих разработанные ПОУ.

Научная новизна.

К основным результатам, полученным в ходе работы по теме диссертации, принадлежат:

■ Разработаны оригинальные ПОУ-модули, полосы усиления которых совместно перекрывают спектральный диапазон 760-1 ЮОнм;

■ разработан новый тип узкополосного источника света с шириной спектральной линии порядка 1 нм на базе ПОУ и ВБР;

■ исследована МОРА-система на основе СЛД и ПОУ с клиновидным активным каналом с центральной длиной волны 850нм, полушириной 14нм и выходной мощностью на уровне 0.5Вт из стандартного многомодового волоконного световода (МВС);

■ исследованы быстроперестраиваемые (свиппирующие) лазеры спектральных диапазонов 780-880 нм и 960-1080 нм с мгновенной шириной линии менее 0,1 нм, скоростью перестройки до 106 нм/с и выходной мощностью в единицы мВт из одномодового волоконного световода (ОВС);

■ исследованы МОРА-системы с перестраиваемыми лазерами спектральных диапазонов 825-875 нм и 1030-1090 нм в качестве задающих генераторов, способные поддерживать выходную мощность из ОВС на уровне 50 мВт.

Реализация и внедрение результатов работы.

Большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» коммерчески реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения ПОУ-модулей серий SOA-352, SOA-372, SOA-382/HP, SOA-472, SOA-522. Коммерчески реализованы новый быстроперестраваемый лазерный источник света BroadSweeper-1060 и усилитель оптической мощности Booster-840.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Biomedical Optics (BIOMED), St. Petersburg, Florida (2008); 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor

Lasers and Systems" Minsk (2009); XII Международной конференции «Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2010); 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), Sevastopol (2010); 10th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), Sevastopol (2010), XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), Wroclaw, Poland, (2011); 11th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Kharkov, Ukraine (2011).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ, и 1 - в журнале Proceedings of SPIE. Список публикаций приведен в заключительной части автореферата.

На защиту выносятся следующие положения:

■ Разработаны ПОУ на основе лазерных гетероструктур (наноструктур) с квантоворазмерными активными слоями из (GaAl)As, GaAs и (InGa)As с полосами усиления 750-820 нм, 800-870 нм, 830-910 нм, 885-990 нм и 960-1100 нм. Исследованы передаточные характеристики лабораторных макетов ПОУ-модулей с входными и выходными ОВС. Их коэффициент усиления малого входного сигнала составлял 25-35 дБ, степень подавления суперлюминесцентного фона в режиме насыщения - 30-50 дБ, выходная оптическая мощность - до 30-70 мВт.

■ ПОУ с клиновидным активным каналом спектрального диаппазона 820-870 нм обеспечивает непрерывную выходную оптическую мощность до 500 мВт.

■ Разработаны источники света высокой яркости (выходная оптическая мощность из ОВС - 5-8 мВт) с длиной волны 1062нм и ширинами спектральных линий 0,5 нм и 2,5 нм на основе ПОУ и ВБР. При их использовании в качестве задающих генераторов в МОРА системе реализована выходная мощность до 50 мВт из ОВС.

■ Использование разработанных ПОУ-модулей в качестве активных элементов перестраиваемых лазеров с управляемыми спектральными фильтрами во внешних оптоволоконных линейных и кольцевых резонаторах позволяет обеспечить скоростную спектральную перестройку, включая линейное свиппирование длины волны с высокой точностью и воспроизводимостью. Исследованы лабораторные макеты таких лазеров, перестраиваемых в спектральных диапазонах 780-880 нм и 1030-1080 нм со скоростью до 10б нм/сек при мгновенной ширине спектральной линии менее 0,1 нм.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 155 страницы машинописного текста, который содержит 10 таблиц, 90 рисунков, 19 формул и 81 наименование библиографии.

Основное содержание работы.

Введение посвящено истории развития ПОУ, конструктивным особенностям активного элемента, преимуществам и недостаткам различных конструкций, областям их применения. Также во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, ее научная новизна, практическая ценность результатов работы, приведены положения, выносимые на защиту, и список публикаций по материалам диссертации.

В Главе I «Разработка и исследование новых ПОУ бегущей волны»

описаны технология изготовления ПОУ-модуля, методики

исследования стационарных

передаточных характеристик ПОУ и результаты этих исследований. Спектры оптического усиления, разработанных ПОУ, по уровню ЮдБ в совокупности перекрывают диапазон от 750 до ПООнм (Рис 1). В таблице 1 представлены основные технические

характеристики разработанных приборов.

Длина волны, нм

Рис. 1 Типичные спектры усиления исследованных широкополосных ПОУ в режиме усиления малого входного сигнала.

Тип структуры Состав и толщина активного слоя Полоса усиления по уровню ЮдБ Gmax-дБ SMS,,,»,, дБ Максимальная выходная мощность. мВт Максимальный ток инжекции. мА

ОКРС Alu iGao.sAs 10нм 755-825 26 52 30 300

ОКРС GaAs Юнм 795-875 28 52 50 250

ОКРС In.uaGao «As 1 IHM 825-915 27 53 30 220

ОКРС/ GRIN IniuGao »As 6hm 885-990 28 47 30 200

ДКРС In,15Ga,i 7As 2x8hm 985-1100 30 52 50 300

ОКРС GaAs 9.5hm 820-860 31/35 45/44 50/300 400/1000

Табл. 1 Основные технические характеристики разработанных широкополосных ПОУ на основе однослойных и двухслойных КРС. (SMS - степень превышения суперлюминесцентного фона).

В первом разделе особое внимание уделено конструктивным особенностям ПОУ-модуля. В частности, сборке ПОУ-модуля, требующей не менее 7 различных паяных соединений. Описанная технология травления волновода ионами с низкой энергией позволила увеличить выходную мощность и повысить надежность приборов.

Второй раздел посвящен методике исследования основных физических характеристик ПОУ. Оптимизирован расчет спектра усиления по спектрам излучения СЛД различной длины [8]. Этот метод позволяет без проведения прямых измерений оценить удельный коэффициент усиления, что существенно упрощает выбор необходимой длины активного канала ПОУ. Описан универсальный измерительный стед.

В Третьем разделе описан ПОУ спектрального диапазона 755-825 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Толщина волновода активного элемента составляла 0.25 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням кристалла, равнялась 1200мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 2.

760 780 800 820 Длина волны,нм

Рис.2 Зонная диаграмма (СаА1)Аз/ОаАБ ОКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - 280тА, 2 - 240тА, 3 - 200тА).

В четвертом разделе описан ПОУ спектрального диапазона 795-875 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Толщина волновода активного элемента составляла 0.25 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням кристалла, равнялась 1200мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 3.

р - А1г .Оа.. .Аэ

800 820 840 860 880 Длина волны,нм

Рис.3 Зонная диаграмма (СаАОАБ/СаАз ОКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - 200тА, 2-150тА, 3 - ЮОтА).

В первой половине пятого раздела речь идет о ПОУ спектрального диапазона 820-860 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Толщина волновода составляла 0.25 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням, равнялась 1600мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 4.

р -Аи<ч„А5

820 840 860 Длина волны,нм

Рис.4 Зонная диаграмма (СаАОАз/СаАБ ОКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - 280гпА, 2 -220шА, 3 - 150тА).

Вторая половина пятого раздела посвящена ПОУ на базе той же гетероструктуры (Рис. 4 а). В отличие от предшественника, его активный элемент имел «клиновидную» форму активного канала (Рис. 5 а). Семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис. 5 б. Ширина входной части волновода составляла 4 мкм (М^х), выходной -40мкм (\УВЫХ). Длина активного канала равнялась ІбООмкм.

820 840 860 Длина волны,нм

а б

Рис.5 Активный элемент ПОУ с клиновидным волноводным активным каналом, ориентированным под наклоном к торцевым граням (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - 1000тА, 2 -700тА, 3 -500шА).

В шестом разделе описан ПОУ спектрального диапазона 825-015 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Толщина волновода активного элемента составляла 0.25 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням кристалла, равнялась

1200мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 6.

п -А105Са05А5

А1„,„Са„ „Аэ

,П0 016а0 88АЗ

р - ваАБ |

840 880 920 Длина волны, нм

Рис.6 Зонная диаграмма (Са1п)Аз /(СаА1)А$/СаА5 ОКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - 220гпА, 2 —200т А, 3 - 160тА).

Седьмой раздел посвящен ПОУ спектрального диапазона 885-990 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Эффективная толщина волновода активного элемента составляла 0.3 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням кристалла, равнялась 1200мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 7.

920 960 1000 Длина волны, нм

а б

Рис.7 Зонная диаграмма (Са1п)Аз /(СаА1)Аз/СаА5 ОКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (I - 200тА, 2 —150тА, 3 - ЮОтА).

В восьмом разделе описан ПОУ спектрального диапазона 985-1100 нм. ПОУ имел стандартную конструкцию усилителя бегущей волны. Толщина волновода активного элемента составляла 0.35 мкм, ширина 4 мкм. Длина активного канала, закошенного под 7° к граням кристалла, равнялась 1200мкм. Его зонная диаграмма и семейство контуров оптического малосигнального усиления представлены на Рис 8.

Длина волны, нм

а б

Рис.8 Зонная диаграмма (СаІп)А5 /(СаАОАз/ОаАБ ДКРС (а) и зависимость усиления в режиме малого входного сигнала от длины волны входного сигнала для различных токов накачки (1 - ЗООтА, 2 - 200тА, 3 - ЮОтА).

Глава II «Новые источники излучения на основе разработанных ПОУ» посвящена исследованию нового типа узкополосных светоизлучающих модулей на базе ПОУ и ВБР и двум новым МОРА-системам мощностью до 50 мВт из ОВС и до 0.5 Вт из МВС.

В первом разделе рассматривается новый тип узкополосных светоизлучающих модулей, обладающих шириной спектра, значительно превосходящей лазерную, но в то же время значительно меньшей, чем у традиционных СЛД. При подаче на вход ПОУ достаточно мощного спектрально согласованного узкополосного сигнала в спектре выходного излучения доминируют фотоны в полосе входного сигнала. При насыщении усиления соответствующий спектральный пик может на 3-4 порядка превышать по яркости суперлюминесцентный «пьедестал». В данной работе в качестве таких отражателей были использованы ВБР, при записи которых можно с высокой точностью обеспечить требуемые характеристики спектра отражения [6]. Выходной спектр такого двухпроходного СЛД показан на Рис.9.

а б

Рис.9 Типичный спектр выходного излучения двухпроходного СЛД в линейном (а) и логарифмическом (б) масштабах.

С ростом тока инжекции АХ уменьшается, а SMS возрастает, причем тем сильнее, чем >'же полоса ААВБр. Соответствующие зависимости для А^вбр = 3,0 нм и АХвбр = 0,5 нм представлены на рис. 10.

£ с

3)

40 60 80 100 Ток накачки, мА

30 60 90

Ток накачки, мА

Рис.10 Зависимости полуширины главного спектрального максимума и его превышения над побочными (SMS) от тока инжекции двухпроходного СЛД с ДЛвбр = 3,0 нм (а) и ДХвбр = 0,5 нм (б).

Самовозбуждение, за счет образовавшегося резонатора между ВБР и выходной линзой ПОУ, наступает при мощности 5-8 мВт. При этом не происходит излома Ватт-Амперной характеристики, но спектр из «колоколобразной» принимает изрезанную форму.

Для реализации более высоких мощностей, очевидным образом, напрашивается использование еще одного спектрально согласованного ПОУ в качестве выходного усилителя (Рис. II), т.е. построение системы: задающий генератор + усилитель мощности (МОРА).

-f=E>

Рис.11 Схема МОРА: 1 - ВБР; 2 — ПОУ1; 3 - оптоволоконный оптический изолятор; 4 - ПОУ2; 5 - ОВС с сохранением поляризации; 6 - двухканальный контроллер Р1ЬОТ-4.

Выходные характеристики МОРА-системы представлены на Рис 12.

50 100 150 200 250 Ток накачки, мА

50 100 150 200 250 Ток накачки, мА

МОРА-системы

задающими

Рис.12 Выходные характеристики генераторами (двухпроходными СЛД) с Д^вбр = 3,0 нм (а) и А?іВбр = 0,5нм (б).

Построенные системы позволяют получить мощность до 50 мВт из ОВС, при этом, с ростом мощности спектральная полуширина и величина SMS практически не изменяются

Второй раздел посвящен усилителю оптической мощности, получившим название Вооя1ег-840. В качестве активного элемента был использован ПОУ, описанный в первой половине пятого раздела первой главы. Внешний вид и оптическая схема прибора представлены на Рис. 13.

Рис.13 Оптический усилитель Воо51ег-840. Внешний вид (а) и оптическая схема (б): 1-одномодовый оптический разъем типа РС/АРС; 2- ОВС-разветвитель (95:5); 3-широкополосный ОВС - изолятор; 4- контроллер поляризации (применяется в случае изотропных ОВС); 5- 80А-382-НР; 6-ОВС - монитор типа ОРМ-1 (98:2); 7-фотодиод; 8- контроллер РПоММ.

Была исследована МОРА-система с маломощным СЛД-модулем в качестве задающего генератора и прототипом Воов1ег-840 в качестве выходного усилителя мощности. В результате был реализован источник мощного и достаточно широкополосного (Д^=12нм) излучения с центральной длиной волны 850нм.

Результаты ресурсных испытаний в режиме автоматического контроля мощности (АКМ), соответствующей 50мВт из ОВС, для МОРА-системы представлены на Рис 14 а. На рис.14 б изображен спектр излучения СЛД, спектр суперлюминесценции ПОУ в отсутствие входного сигнала при отключенной системе защиты и спектр выходного излучения МОРА-системы в режиме АКМ.

Время, час Длина волны, нм

Рис.14. Хронограмма предварительных ресурсных испытаний МОРА-системы в режиме АКМ (а) и спектр излучения задающего СЛД (1), ПОУ в режиме СЛД (2) и МОРА- системы (3) при непрерывной выходной мощности 50мВт через ОВС.

Следует отметить, что подобные ПОУ удовлетворительно прошли ресурсные испытания в СЛД-режиме при постоянном токе 400 мА, а в

МОРА-системе мощность в 50 мВт реализовывалась при токе ПОУ 165 мА. Приведенные данные позволяют оценить срок службы рассматриваемой МОРА-системы величиной более 30 ООО часов.

В третьем разделе рассмотрена МОРА-система с центральной длиной волны 840нм и выходной мощностью до 500мВт из МВС. Активным элементом данной системы является ПОУ, описанный во второй части пятого раздела первой главы. Схема МОРА-системы и ее передаточные характеристики представлены на Рис 15.

МВС

0 О 600

1 Ї. 500 % I «О 5 g зоо

1 1 200[ sí loo г

J ° г, f

л І 0 і

7

6 5

0 2 7

Мощность входного сигнала, мВт

Рис.15. Экспериментальная схема МОРА-системы (а): 1 - СЛД-модуль; 2 -оптический изолятор; 3 - контроллер поляризации; 4 - ПОУ (чип на оснастке) и передаточные характеристики МОРА-системы для токов накачки ПОУ 500мА (5), 700мА (6), 1000мА(7)..

Коэффициент ввода излучения в МВС через торцевую цилиндрическую линзу составлял 75%, что обеспечивало максимальную выходную оптическую мощность около 0.5 Вт.

В рамках Главы III «Быстроперестраиваемые лазеры, содержащие ПОУ в качестве активного элемента» решалась задача по разработке перестраиваемых лазеров при использовании ПОУ в качестве активного элемента. Основные параметры исследованных систем представлены в

Характеристика Тип I Тип 11 Тип III

Тип внешнего оптоволоконного резонатора Линейный Кольцевой Кольцевой

Спектрально-селективный элемент АОПФ Фильтр Фабри-Перо (РРР-ТР) АОПФ

Максимальный диапазон спектральной перестройки, нм 1000-1080 820-870 780-880

Максимальная выходная оптическая мощность. мВт 3.0 5.0 10.0

Полуширина спектра выходного излучения, нм 0.05 0.01 0.04

Максимальная частота свиппирования в пределах полного диапазона перестройки. Гц 200 20000 200

Табл. 2 Основные характеристики исследованных лазеров.

В первом разделе описан лазер спектрального диапазона 1015-1080нм с АОПФ во внешнем линейном оптоволоконном резонаторе (Рис. 16). Контроллер АОПФ обеспечивает выходной ВЧ-сигнал мощностью до 1 Вт, который мог перестраиваться по частоте в диапазоне 70-90 МГц, что соответствует оптическому спектральному диапазону перестройки АОПФ 950-1130 нм и с большим запасом перекрывает полосу оптического усиления использованного ПОУ.

Рис. 16 Внешний вид (а) и схема перестраиваемого полупроводникового лазера (б) с АОПФ во внешнем линейном оптоволоконном резонаторе. 1 -двухпроходный ПОУ-модуль на основе ДКРС, описанной в разделе 1.8, 2 -АОПФ, 3 - оптоволоконный коллиматор, 4 - оптоволоконное зеркало (Я = 30%), 5 - оптоволоконный У-разветвитель (96:4), 6 - РІМ-фотодетектор, вырабатывающий входной сигнал АКМ, 7 - контроллер ПОУ Р1ЬОТ-4, 8 - контроллер АОПФ.

Внешний вид и конструкция такого АОПФ представлены на Рис. 17.

4

У 2,2°

9

а б

Рис.17 Внешний вид (а) и конструкция АОПФ (б); 1 - пьезопреобразователь из ниобата лития, 2 - падающее поляризованное излучение, 3 - звукопровод из парателлурида, 4 - звукопоглотитель, 5 - прошедший свет (0-й порядок дифракции), 6 - дифрагированное (отфильтрованное) излучение, 7 - ВЧ сигнал на входе АОПФ, 8 - звуковой пучок в кристалле парателлурида, 9 — оптоволоконный коллиматор.

Второй раздел посвящен перестраиваемому лазеру спектрального диапазона 820-870нм с перестраиваемым фильтром Фабри-Перо во внешнем кольцевом оптоволоконном резонаторе. Блок-схема исследованного лазера приведена на Рис. 18. Для осуществления спектральной селекции был выбран

перестраиваемый фильтр производства фирмы Micron Optics модель FFP-TF-830. В качестве активного элемента был выбран экспериментальный ГІОУ бегущей волны описанный в разделе 4 первой главы.

Контроллер тока и температуры

измеритель мощности

Контроллер поляризации

50%

10% О

SOA-352 ОИ 1

с ° С

Оптический разветвитель 90/10 FFP-TF

ТУ"

50%

Оптический разветвитель

Оптический выход лазера

ТУ"

НПЗ

Контроллер Контроллер

температуры напряжения

Рис. 18 Блок-схема перестраиваемого лазера со спектральной селекцией, осуществляемой оптоволоконным перестраиваемым фильтром Фабри-Перо.

Типичные перестроечные кривые лазера в режиме постоянства тока и режиме постоянства мощности представлены на Рис. 19.

820 830 840 850 860 870 880 Длина волны, нм

820 830 840 850 860 870 880 Длинна волны, нм

Рис.19 Зависимость выходной мощности от длины волны (а) при постоянных токах накачки 1 - 134мА, 2 - 93мА и зависимость тока накачки ПОУ от длины волны (б) при постоянной выходной мощности 3 - 5мВт, 4 - 3мВт, 5 - 1 мВт.

Разработанные для серийно выпускаемых лазеров типа Вгоас18\уеерег системы АКМ, работоспособны при частоте свипирования до 2 кГц. Эти системы могут быть использованы и в данном лазере, однако РРР-ТР может обеспечить частоту свипирования на порядок больше. Для реализации таких приборов требуется разработка принципиально новых систем АКМ.

В третьем разделе описан лазер спектрального диапазона 780-880нм с перестраиваемым акустооптическим фильтром во внешнем кольцевом оптоволоконном резонаторе. Для осуществления спектральной селекции был выбран АОПФ конструкции, подобной описанной в первом разделе. В качестве активного элемента использовался отселектированный по полосе

усиления ПОУ бегущей волны, описанный в разделе 4 первой главы. Перестроечная кривая АОПФ в требуемом спектральном диапазоне и блок-схема исследованного лазера приведена на Рис 20.

900 | 880 860 ■Е 840 § 820 5 800 І 780

96

100 104 108 Частота, МГц

112

__,30%.__ ,_,

XX

Рис. 20 Перестроечная кривая АОПФ (а) и блок-схема исследованного лазера (б); 1 - ПОУ-модуль; 2 - контроллер ПОУ Р1ЬОТ-4; 3 - АОПФ; 4 -ВЧ-генератор; 5 - блок термостабилизации; 6 - оптоволоконный У-разветвитель; 7 - оптический изолятор; 8 — фотодиод-монитор выходной оптической мощности системы АКМ.

На Рис. 21 а представлены типичные ватт-амперные характеристики при настройке АОПФ на различные фиксированные длины волн. Рис. 21 б иллюстрирует работу системы АКМ.

О 50 100 150 200 250 Ток инжекции ПОУ, мА

780 800 820 840 860 880 Длина волны,нм

а. б.

Рис. 21 Вт-А характеристики (а) лазера при фиксированных настройках на длину волны 850 нм (1) и 810 нм (2) и перестроечные кривые (б) при постоянной выходной мощности 1.0 мВт (3), 2.0 мВт (4), 5.0 мВт (5) и 10 мВт (6).

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы.

1. Разработаны и исследованы новые ПОУ бегущей волны ближнего

ИК-диапазона спектра на основе квантоворазмерных гетероструктур ("наногетероструктур") с активными слоями из GaAs и твердых растворов A!xGai-xAs, lny Gay.| As различных составов. Изготовлены и

частично внедрены в серийное производство ПОУ-модули с вводом/выводом излучения через оптоволоконные световоды, обеспечивающие следующими основными техническими характеристиками:

1.1 ПОУ повышенной мощности спектрального диапазона 820-860 нм с одномодовым и клиновидным активными каналами с максимальным коэффициентом усиления более 30 дБ и выходной мощностью до

50 мВт и до 500 мВт при выводе излучения через ОВС и МВС соответственно;

1.2 ПОУ спектрального диапазона 760-825 нм с коэффициентом усиления до 26 дБ и выходной мощностью до 30 мВт;

1.3 ПОУ спектрального диапазона 780-875 нм с коэффициентом усиления до 24 дБ и выходной мощностью до 50 мВт;

1.4 ПОУ спектрального диапазона 825-915 нм с коэффициентом усиления до 27 дБ и выходной мощностью до 20 мВт;

1.5 ПОУ спектрального диапазона 885-990 нм с коэффициентом усиления до 28 дБ и выходной мощностью до 30 мВт;

1.6 Два типа ПОУ (двухпроходный и однопроходный) спектрального диапазона 985-1100 нм с коэффициентом усиления до 20 дБ и 30 дБ и выходной мощностью до 15 мВт и 50 мВт соответственно.

Спектры оптического усиления "широкополосных" ПОУ (п.п. 1.2-1.6) в

совокупности перекрывают спектральный диапазон 760-1100 нм. Исследованы новые источники излучения на основе разработанных ПОУ.

2.1 Экспериментально показано, что использование ВБР в качестве спектрально-селективных отражателей для ПОУ позволяет реализовать узкополосные СЛД с шириной спектра излучения, определяемой контуром отражения ВБР. Разработаны СЛД-модули с центральной длиной волны 1063 нм и спектральной полушириной от 0,3 до 2,0 нм. Их непрерывная мощность на выходе ОВС достигала 5,0 - 8,0 мВт. Использование МОРА-системы позволяет повысить эту величину до 50мВт.

2.2 Исследованы МОРА-системы спектрального диапазона 820-860 нм на основе ПОУ повышенной мощности с использованием в качестве генераторов входного сигнала перестраиваемого лазера или СЛД-модуля. Эти МОРА-системы позволяют поддерживать постоянную оптическую мощность на уровне до 50 мВт на выходе ОВС или на уровне до 500мВт на выходе МВС.

2.3 Разработан и внедрен в производство автономный оптический усилитель Вооз1ег-840 указанного спектрального диапазона, содержащий систему защиты от паразитной обратной связи и систему АКМ.

Исследованы 3 типа перестраиваемых лазеров с внешними оптоволоконными резонаторами, содержащих ПОУ в качестве активного элемента.

3.1 Исследован перестраиваемый лазер с линейным внешним резонатором, содержащим двухпроходный ПОУ и АОПФ. Его спектральная перестройка могла производиться в диапазоне 1000-1080нм при ширине спектральной линии не более 0.05 нм. Выходная мощность достигала 3.0 мВт. Максимальная частота линейного свиппирования в режиме АКМ в пределах полного диапазона перестройки составляла 200Гц.

В результате проведенных исследований разработан автономный прибор BS-1060-01. Этот лазер, перестраиваемый в диапазоне 1030-1090 нм работоспособен в следующих режимах:

• Ручная перестройка длины волны при заданном уровне выходной мощности;

• Линейное свиппирование длины волны в заданном спектральном диапазоне со скоростью до 104 нм/сек;

• "двухчастотный" режим (периодическое переключение между двумя заданными длинами волн).

3.2 Исследован лазер с кольцевым внешним резонатором, содержащим фильтр Фабри-Перо, перестраиваемый в диапазоне 820-870 нм. Мгновенная ширина спектральной линии не превышала 0.01 нм при частоте свиппирования до 20 кГц. Максимальная выходная мощность достигала 5 мВт

3.3 Исследован лазер с АОПФ в кольцевом внешнем резонаторе. Реализована рекордная ширина диапазона перестройки -99 нм (781880 нм) при ширине спектральной линии не более 0.04 нм. Выходная мощность достигала 10 мВт. Максимальная частота линейного свиппирования в режиме АКМ в пределах полного диапазона перестройки составляла 200 Гц. (скорость перестройки — до 2*104 нм/сек)

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю С.Д. Якубовичу за предложенную тему диссертации, интересное сотрудничество и неоценимую помощь в организации работы; А.Т. Семенову и В.Р. Шидловскому за инициацию ряда исследований и внимание к ним; A.A. Мармалюку с сотрудниками за проведение экспериментальных ростовых процессов ГЭС; М.Б. Успенскому с сотрудниками за изготовление экспериментальных ОГЭС; A.A. Бахареву с сотрудниками за сборку образцов ПОУ-модулей; Д.Р. Шидловскому с сотрудниками за изготовление оптомеханических узлов и электронных плат для новых приборов серии BroadSweeper и Booster; сотрудникам лаборатории R&D Е.В. Андреевой, П.И. Лапину, С.Н. Ильченко и М.В Шраменко за помощь в измерениях и расчетах; A.B. Куртепову и А.Ф. Солодкову за помощь в проведении многочисленных исследований и экспериментов.

Список литературы.

[1] G.Overton, S.G.Anderson, D.A.Belforte, T.Hausken, "Annual revue and forecast". Laser Focus World, v.47, №4, p.40, (2011)

[2] JI.A. Ривлин, A.T. Семенов, С.Д. Якубович, «Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров», М. «Радио и связь» (1983)

[3] М. J. Connelly, "Semiconductor optical amplifiers". Kluwer Academic publishers (2004)

[4] В. В. Акпаров, В. Г. Дмитриев, В. П. Дураев, А.А. Казаков. «Полупроводниковый кольцевой лазер п исследование его характеристик в режиме датчика вращения», Квантовая электроника, т. 40, №10. с. 851 (2010).

[5]W. Drexler, J.G. Fugimoto, "Optical coherence tomography", Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2008).

[6] Васильев C.A., Медведков О.И., Королев И.Г., Божков С.А., Курков А.С.. Дианов Е.М., «Волоконные решетки показателя преломления и их применения», Квантовая электроника, т. 35, №12. с. 1085 (2005)

[7] Л.Н. Магдич, В.Я. Молчанов. «Акустооптические устройства и их применение», М.. «Сов. Радио» (1978)

[8] И.С. Голдобин, А.Т. Семенов, В.П. Табунов. Якубович С.Д., «Определение параметров инжекционных лазерных усилителей на основе GaAlAs-гетероструктур по характеристикам суперлюминесцентного излучения». Квантовая электроника, т. 9, №6, с. 1264(1982)

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. А.А. Лобинцов, М.В. Шраменко, С.Д. Якубович «Полупроводниковые оптические усилители спектрального диапазона 1000-1100 им.», Квантовая электроника, 38(7), стр. 661-664, (2008)

2. А.А. Лобинцов, М.В. Перевозчиков, М.В. Шраменнко, С.Д. Якубович «Узкополосные двухпроходные СЛД с длиной волны излучения 1060 нм.», Квантовая электроника, 39(9), стр. 793-797, (2009)

3. А.А. Лобинцов, М.В.Перевозчиков, М.В.Шраменнко, С.Д. Якубович «Высокоэффективный полупроводниковый оптический усилитель спектрального диапазона 820-860нм.», Квантовая электроника, 40(4), стр. 305-309, (2010)

4. С.Н. Ильченко, Ю.О. Костин, И.А. Кукушкин, М.А. Ладугин, П.И. Лапин, А.А. Лобинцов, А.А. Мармалюк, С.Д. Якубович «Широкополосные СЛД и ПОУ спектрального диапазона 750-800 нм », Квантовая электроника, 41(8), стр. 677-680, (2010)

Другие статьи и материалы конференций:

5. E.V. Andreeva, Yu.O. Kostin, P.I. Lapin, А.А. Lobintsov, V.R. Shidlovski, M.V. Shramenko, S.D. Yakubovich "Strained QW InGaAs/GaAIAs/GaAs SLDs and SOAs for HR OCT at 840 and 1060 nm Bands" in Biomedical Optics (BIOMED), St.Petersburg, Florida (2008) Conf. Prog. BMD80

6. Yu.O. Kostin, A.V. Kurtepov, P.I. Lapin, A.A. Lobintsov, A.A. Marmalyuk, D.R. Sabitov, S.D Yakubovich "High-power and broadband reliable SLDs at 840-860nm", 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk 2009, Book of Papers, p.75-79

7. Yu.O. Kostin, A.V. Kurtepov, P.I. Lapin, A.A. Lobintsov, A.A. Marmalyuk, D.R. Sabitov, S.D Yakubovich " Semiconductor optical amplifiers with gain maximum at 1060 nm and novel devices based on them.", 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk 2009, Book of Papers, p.80-83

8. E.V. Andreeva, Yu.O. Kostin, P.I. Lapin, A.A. Lobintsov, M.V. Shramenko, S.D Yakubovich " Improved SLDs and SOAs for high resolution optical coherence tomography ",7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk 2009, Book of Papers, p.108-110

9. A.A. Лобинцов, M.B. Шраменко, С.Д. Якубович " Мощный и надежный ПОУ на основе (GaAOAs-наноструктуры ", Труды XII Международной конференции «Опто-,нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», стр. 37, Ульяновск (2010)

Ю.А.АЛобинцов, М.В.Шраменко, С.Д. Якубович " Исследование лазерных систем с выходным ПОУ.", Труды XII Международной конференции «Опто-,нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», стр. 38, Ульяновск (2010)

11.Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D Yakubovich "Novel SOA with tapered active channel", Proc. of 5th Int. Conf. on Advanced optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), p. 175, Sevastopol (2010)

12.Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D Yakubovich "Novel High-power SLDs with wide active channels", Proc. of 10th Int. Conf. on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), p.10, Sevastopol (2010)

13.A.A. Padalitsa, M.A. Ladugin, A.A. Marmalyuk, Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D. Yakubovich "Broadband SLD heterostructures with spectral maximum in the range 750-800 nm grown by LP MOCVD", Extended abstracts of XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), p. 123-125, Wroclaw, Poland, June 5-8 (2011)

14.K.Hsu, A.A. Lobintsov, V.R. Shidlovskii, M.V. Shramenko, S.D. Yakubovich "Semiconductor laser with tunable Fabry-Perot filter in an external fiberoptic ring cavity.", 8th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk 2011, Book of Papers, p.33-36

15.S.N. Ilchenko, Yu.O. Kostin, M.A. Ladugin, P.l. Lapin, A.A. Lobintsov, A.A. Marmalyuk, S.D. Yakubovich "Broadband superluminescent diodes emitting at 750-800 nm.", 8th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk 2011, Book of Papers, p.91-95

16.S.N. Ilchenko, Yu.O. Kostin, M.A. Ladugin, P.I. Lapin, A.A. Lobintsov, A.A. Marmalyuk, S.D. Yakubovich "Broad-band SLDs emitting at 750-800 nm" in 11th Int. Conf. on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. Kharkov, Ukraine, Conf. Proc. paper LFNM-003 (2011)

17.S.N. Ilchenko, A.A. Lobintsov, V.R. Shidlovskii, M.V. Shramenko, S.D. Yakubovich "High-power sweeping semiconductor light sources at 840 nm with up to 100 nm tuning range", Proc. of SP1E 8213, 82133A (2012)

Подписано в печать 05 сентября 2013 г. Формат 60x90/16 .объём 1.25 п.л. Тираж 100 экз.. заказ № 040927

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912\772801001 Адрес: 105066. г. Москва, Лефортовский пер., лом 8. корпус 2. Тел. 728-97-17, +7(499)261-78-22. 1Шр://\у\vw.onlinecopy.ru

ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха

На правах рукописи

04201362397

Лобинцов Андрей Александрович

Полупроводниковые оптические усилители бегущей волны ближнего ИК-диапазона спектра и приборы на их основе.

05.27.03 - Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор

Якубович Сергей Дмитриевич

МОСКВА 2013 г.

Содержание.

Содержание..............................................................................................................2

Сокращения и условные обозначения...................................................................3

Обозначения переменных.......................................................................................3

Введение...................................................................................................................5

Описание работы...................................................................................................24

Глава I. Разработка и исследование новых ПОУ бегущей волны....................30

1.1 Особенности изготовления ПОУ-модулей................................................30

1.2. Методики исследования физических характеристик ПОУ....................37

1.3 ПОУ спектрального диапазона 755-825 нм...............................................49

1.4 ПОУ спектрального диапазона 795-875 нм...............................................55

1.5 ПОУ спектрального диапазона 820-860 повышенной мощности...........62

1.6 ПОУ спектрального диапазона 825-915 нм...............................................74

1.7 ПОУ спектрального диапазона 885-990 нм...............................................80

1.8 ПОУ спектрального диапазона 985-1100 нм.............................................86

Заключение.........................................................................................................92

Глава II. Новые источники излучения на основе разработанных ПОУ...........94

2.1 Узкополосные светоизлучающие модули с брегговскими оптоволоконными отражателями.....................................................................94

2.2 МОРА-система с центральной длиной волны 840нм и выходной мощностью до 50мВт из одномодового ОВС...............................................105

2.3 МОРА-система с центральной длиной волны 840нм и выходной мощностью до 500мВт из МВС......................................................................111

Глава III. Быстроперестраиваемые лазеры содержащие ПОУ в качестве активного элемента..............................................................................................116

3.1 Лазер спектрального диапазона 1015-1080нм с акустооптическим перестраиваемым фильтром во внешнем линейном оптоволоконном резонаторе.........................................................................................................116

3.2 Лазер спектрального диапазона 820-870нм с перестраиваемым

фильтром Фабри-Перо во внешнем кольцевом оптоволоконном резонаторе.

............................................................................................................................130

3.3 Лазер спектрального диапазона 780-880нм с перестраиваемым акустооптическим фильтром во внешнем кольцевом оптоволоконном

резонаторе.........................................................................................................137

Заключение...........................................................................................................144

Благодарности...................................................................................................147

Литература........................................................................................................147

Сокращения и условные обозначения.

АКМ - автоматический контроль мощности

АКТ - автоматический контроль тока

АКФ - автокорреляционная функция

АОПФ - акустооптический перестраиваемый фильтр

ВБР - волоконная брегговская решетка

ГЭС - гетероэпитаксиальная структура

ДКРС - двуслойная квантоворазмерная структура

ИК - инфракрасный

КОД - катастрофическая оптическая деградация КРС - квантоворазмерная структура ЛД - лазерный диод

MB С - многомодовый волоконный световод

МКРС - многослойная квантоворазмерная структура

МОС-гидридная эпитаксия - газотранспортная эпитаксия из металло-

органических соединений

ОВС - одномодовый волоконный световод

ОКРС - однослойная квантоворазмерная структура

ОКТ - оптическая когерентная томография

ПОУ- полупроводниковый оптический усилитель

ПФФП - перестраиваемый фильтр Фабри-Перо

СЛД - суперлюминесцентный диод

PILOT - серия электронных драйверов для СЛД-модулей и ПОУ-модулей Обозначения переменных.

с — скорость света

da - толщина активного слоя

Еа - энергия активации

/- фокусное расстояние

g - погонное оптическое усиление

G - полное оптическое усиление

к - постоянная Планка Л 1поу ~ ток накачки ПОУ

? - плотность фотонов, распространяющихся в активном канале в прямом направлении

Г - плотность фотонов, распространяющихся в активном канале в обратном направлении

у - плотность тока инжекции

к - постоянная Больцмана

Ьа - длина активного канала

Ьс - длина когерентности

N - плотность носителей

пе(т - эффективный показатель преломления

Р - оптическая мощность

Рех - входная оптическая мощность

Рвых - выходная оптическая мощность

PFS - оптическая мощность излучения в открытое пространство Р$м - мощность излучения из ОВС Я - коэффициент отражения

Б - интегральная скорость спонтанной рекомбинации пр - глубина модуляции спектра, риппл

- щирина активного слоя а - нерезонансные оптические потери основной моды Б - доля спонтанного излучения, введенного в основную моду Т|е — эффективность инжекции Г- фактор оптического ограничения Х0 - центральная длина волны спектра 8/1 - спектральная полоса V - частота излучения

Введение.

В 1960-м году был создан первый твердотельный лазер, в 1961-м -первый газовый лазер. В этом году отмечается 50-летний юбилей создания полупроводниковых лазеров [1]. Это стало возможным вскоре после того, как ученые пришли к выводу, что реализация инверсной населенности энергетического спектра проще достигается в прямозонных полупроводниках, и обратились от классических полупроводников -германия и кремния к соединениям групп АШВУ, АпВУ1и AIVBVI. Эти события были ознаменованы присуждением Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу Нобелевской премии 1964 года.

К 1965 году в СССР и США были созданы экспериментальные образцы полупроводниковых лазеров на основе кристаллов GaAs, InP, InAs, InSb, CdS, CdTe, PbTe, PbSe и твердых растворов Ga(AsP), In(AsP), (InGa)As, которые работали при инжекционной, катодной и оптической накачках в различных точках видимого и инфракрасного диапазонов оптического спектра от 500 нм до 8500нм [2].

Современную технику невозможно представить себе без использования лазеров. По оценкам аналитиков журнала Laser Focus World в 2010 г. объем продаж на мировом лазерном рынке вернулся на докризисный уровень и составил 6,4 млрд. долл. [3]. Более половины этой суммы - 51% приходится на полупроводниковые лазеры. Если же провести сравнение не по стоимости, а по количеству реализованных приборов, то перевес в пользу полупроводниковых лазеров, главным образом лазерных диодов (ЛД), выглядит гораздо разительней. Полупроводниковые лазеры относительно дешевы. В год их производится и реализуется сотни миллионов штук, в то время как объем продаж остальных типов лазеров вместе взятых составляет сотни тысяч штук в год.

Полупроводниковые лазеры применяются в оптических системах передачи информации, в первую очередь, в волоконно-оптических (ВОСПИ), в оптоэлектронных системах записи и считывания информации, в разного

рода оптических датчиках, в различных технологических процессах (гравировка, пайка, сварка и др.), в источниках оптической накачки твердотельных лазеров, в диагностической и терапевтической медицинской аппаратуре, в печатающих устройствах, в дальномерах, целеуказателях и ряде других приборов. Именно полупроводниковые лазеры прочно вошли в повседневный быт современного человека. Разговаривая по телефону, используя Интернет, записывая информацию на компакт-диск или считывая ее, распечатывая документы на лазерном принтере, пользуясь аудио- или видеоплейером, оплачивая покупки в супермаркете, пользуясь лазерной указкой, мы приводим в действие те или иные ЛД. Наряду с этим ЛД широко используются в спектроскопии, интерферометрии, микроскопии, оптической метрологии и в разнообразной научно-исследовательской аппаратуре. Широко ведутся исследования по оптическим и оптоэлектронным методам обработки информации, в которых полупроводниковым лазерам отводится ведущая роль.

Столь широкое распространение полупроводниковых лазеров объясняется их общеизвестными достоинствами: высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение, широким выбором реализуемых длин волн излучения - от УФ до дальнего ИК диапазона спектра, миниатюрностью, высокой надежностью, простотой управления выходными характеристиками излучения, высоким быстродействием, удобством интеграции с электронными микросхемами, интегральнооптическими устройствами и оптоволоконными световодами, низкой стоимостью при массовом выпуске. За минувшие годы, исследованию полупроводниковых лазеров были посвящены тысячи теоретических и экспериментальных работ, опубликованы десятки обзоров и монографий. Исследования и разработки новых приборов этого класса продолжаются по сей день [4,5].

Первые инжекционные лазеры («гомолазеры») представляли собой однородные по составу решетки кристаллы, содержащие диффузионный или

сплавной р-п переход, расположенный перпендикулярно плоскостям спайности, скалывание по которым позволяло сформировать резонатор. Эти ЛД были работоспособны только при криогенных температурах. Это сильно сдерживало их практическое применение. Тем не менее, основные физические характеристики ЛД были достаточно глубоко изучены уже на этом этапе. Дальнейший прогресс ЛД связан с развитием гетероэпитаксиальных технологий выращивания полупроводниковых лазерных структур. Первым крупным достижением на этом пути было создание «гетеролазеров» ближнего ИК-диапазона спектра вначале на основе односторонних (ОГС), а затем двусторонних (ДГС) гетероструктур с использованием изопериодических твердых растворов ОахА11.хАз [6-8]. По сравнению с гомолазерами в этих приборах обеспечивается более сильное пространственное ограничение неравновесных носителей заряда и фотонов, что значительно снижает пороговую плотность тока инжекции и ослабляет ее температурную зависимость. В 1970 г. был реализован непрерывный режим генерации этих лазеров при комнатной температуре [9]. Это ознаменовало начало резкого расширения областей практического использования ЛД. Указанные достижения были удостоены Ленинской премии 1972 года и сыграли решающую роль в присуждении Ж. И. Алферову Нобелевской премии 2000 года. Широко развернулась разработка подобных приборов на основе других полупроводниковых материалов для других спектральных диапазонов. Важной вехой стало создание гетеролазеров на основе четверных твердых растворов 1пхОа1.хРуАв1_у [10-14], перекрывающих спектральный диапазон 640 - 1900 нм, куда, в частности, попадают длины волн 1300 нм и 1550 нм, соответствующие минимумам дисперсии и оптических потерь в кварцевых волоконных световодах. Этот цикл работ был отмечен Государственной премией СССР 1984 года. Лазерные диоды и полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) указанного спектрального диапазона широко используются в ВОСПИ. Отметим, что в настоящее время почти треть мирового лазерного рынка (30,6%) приходится на лазеры для

систем оптической связи [3]. В эту группу попадают и некоторые другие типы лазеров и волоконно-оптические усилители (ВОУ), но подавляющее большинство составляют ЛД и ПОУ.

Во второй половине 70-х годов совершенствование технологического оборудования для молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газотранспортной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС ГФЭ) сделало возможным выращивание полупроводниковых лазерных гетероструктур с квантоворазмерными активными слоями (КРС) [15-17]. Термин «наноструктура» начал использоваться много позже. ЛД на основе однослойных и многослойных КРС с одномерными квантовыми ямами, содержащими двумерный электронный газ, получили в настоящее время наиболее широкое распространение. Созданные позже КРС с квантовыми нитями и квантовыми точками продолжают интенсивно исследоваться, но пока имеют ограниченное практическое применение, что связано как с технологическими сложностями, так и с трудностью получения достаточно высокой внешней квантовой эффективности, несмотря на рекордные результаты по пороговой плотности тока и ее температурной зависимости (Рис.В1).

Параллельно с совершенствованием лазерных гетероструктур происходило совершенствование и конструкций ЛД. Это относится как к традиционной конструкции с плоскими зеркалами резонатора Фабри-Перо, ориентированными перпендикулярно оси активного канала, так и к новым конструкциям - ЛД с распределенной обратной связью (РОС) [18], ЛД с вертикальным резонатором (УС8ЕЬ) [19], монолитные фазированные наборы ЛД [20], многообразные многосекционные ЛД и др.

Термин «полупроводниковый оптический усилитель» (ПОУ) привился в русскоязычной литературе относительно недавно. Ранее использовались термины «полупроводниковый квантовый усилитель» (ПКУ) и «полупроводниковый лазерный усилитель» (ПЛУ). Исследования ПОУ начались в 60-х годах сразу после создания первых ЛД [22-24]. Эти

исследования развивались по двум направлениям, а именно: регенеративные (резонансные) ПОУ и ПОУ бегущей волны. Первые конструктивно не отличаются от традиционных ЛД. Особенностью их применения является то, что рабочий ток инжекции устанавливается вблизи порога генерации выше порога просветления. При этом входной сигнал на длине волны, соответствующей одной из продольных мод резонатора, может испытывать значительное многопроходное усиление.

Годы Temperature, °С

б

Рис. В.1 (а) Эволюция пороговой плотности тока при комнатной температуре в инжекционных лазерах разных поколений : 1-структуры на основе GaAs-технологии; 2-структуры на основеїпР-технологии [4]. (б) Нормированные температурные зависимости порогового тока для различных ДГС лазеров: объемных (а), с квантовыми ямами (Ь), с квантовыми проволоками (с) и с квантовыми точками (d) [5].

ПОУ бегущей волны отличаются от традиционных ЛД тем, что в них теми или иными методами максимально возможно подавлена положительная оптическая обратная связь. Другими словами, в них предельно снижено отражение на торцах активного канала. В результате порог самовозбуждения сильно повышается, а однопроходное оптическое усиление может достигать весьма значительной величины.

Первые экспериментальные образцы полупроводниковых квантовых усилителей представляли собой «широкие» лазерные диоды из ваАБ, работающие в импульсном режиме при криогенных температурах. Для повышения порога самовозбуждения производилось нанесение просветляющих покрытий на зеркала резонатора или их «разъюстировка» путем сошлифовки под некоторым углом торцевой грани кристалла лазера. В качестве входного сигнала использовалось излучение гомолазера с «широким» резонатором в спонтанном режиме или в режиме генерации. В начале 70-х годов в НИИ «Полюс» Л. А. Ривлиным с сотрудниками при изготовлении экспериментальных образцов ПОУ для подавления положительной оптической обратной связи была использована структура с узким активным каналом, ось которого имела наклон по отношению к нормали к торцевым граням кристалла. Особое внимание было уделено излучательным характеристикам таких устройств в режиме усиления собственного спонтанного излучения [25, 26]. Тогда же было впервые введено понятие суперлюминесцентного диода (СЛД). При исследовании свойств СЛД было обнаружено, что его спектральные характеристики очень похожи на характеристики полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), в то время как выходные мощности на порядки выше и приближаются к оным у лазерных диодов (ЛД). Вдобавок СЛД обладает небольшой расходимостью излучения и малой площадью тела свечения (высокой яркостью), что обуславливает относительно легкое введение его выходного излучения в оптическое волокно. Параллельно и независимо аналогичные исследования проводились в НИИ Прикладной физики под руководством Л. Н. Курбатова [27].

Ранние исследования ПОУ [22-24] касались режима усиления бегущей волны в диодах с просветленными гранями. Однако до середины 80-х годов большая часть опубликованных экспериментальных работ относилась к резонансным (регенеративным) усилителям, в которых обратная связь не минимизировалась и усиление входного сигнала достигалось при накачке в

непосредственной близости к порогу генерации (на 1-2% ниже порога). Такой вариант был реализован в 1980 году в лабораторных условиях [28-31]. Несколькими годами позже появляются работы [32,33] целью которых являлся сравнительный анализ усилителей бегущей волны и резонансных усилителей и оценка перспектив их применения в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ).

Однопроходное оптическое усиление на некоторой длине ВОЛНЫ Gs(k) в линейном приближении определяется следующим выражением:

G,(A) = exp{te(¿)-a]£eh (В.1)

где La - длина активного канала, - удельный коэффициент

усиления, а а- удельный коэффициент нерезонансных оптических потерь.

Спектр полного оптич