eng
Выпуск #6/2015
В.Дураев, С.Медведев
Одночастотные полупроводниковые лазеры на основе двухпроходных усилителей
Одночастотные полупроводниковые лазеры на основе двухпроходных усилителей
Просмотры: 5749
Представлены результаты работ по созданию одночастотных перестраиваемых по длине волны полупроводниковых лазеров с внешним резонатором на основе волоконных брэгговских решеток, сформированных в одномодовом волоконном световоде. Рассмотрены способы дискретной и плавной перестройки длины волны излучения и методы генерации динамически стабильного лазерного излучения с узкой шириной линии (менее 10 кГц) в диапазоне 635–1650 нм.
Теги: dwdm-systems dwdm-системы fiber optic communication laser photonic components волоконно-оптические линии связи перестраиваемый лазер фотонные компоненты
И
злучение полупроводниковых (п/п) инжекционных лазеров имеет несколько продольных мод и достаточно большую ширину спектра (1–3 нм). Для многих практических лазерных применений важен одночастотный режим генерации. Одночастотные лазеры нашли самое широкое применение в технологиях волоконно-оптических линий связи со спектральным уплотнением каналов, в спектроскопии высокого разрешения, в интерферометрии, в оптических датчиках, в медицине, в экологии, поэтому получение такого режима – важная инженерная задача.
Кроме того, такая важная особенность п/п лазеров, как возможность широкой перестройки длины волны в пределах всего спектрального диапазона усиления (20–40 нм), дополнительно расширяет круг их применений.
На первом этапе при создании п/п перестраиваемых лазеров использовали лазерные диоды (ЛД) с коротким резонатором (100–200 мкм). Учитывая, что межмодовый интервал для таких излучателей велик, разница в усилении соседних мод значительна. В результате спектр излучения лазеров с коротким резонатором обычно имеет одну продольную моду. Перестройки длины волны этих лазеров можно добиться изменением температуры и тока накачки. Но малое значение выходной мощности, большая ширина линии излучения (100 МГц) и нестабильный режим работы – заметные недостатки, сопутствующие эксплуатации таких лазеров.
Более широкое распространение получили лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры). Данный класс лазеров имеет более стабильный одночастотный режим работы, сравнительно небольшую оптическую мощность и достаточно узкую ширину линии излучения – порядка 1–10 нм [1].
Однако многие практические применения одночастотных когерентных излучателей требуют значительно более высоких значений мощности и стабильности ширины узкой линии излучения. Чаще всего, в таких случаях, применяются лазеры с внешним резонатором, в качестве которого использована дифракционная решетка. Основными элементами конструкции подобных излучателей являются лазерный кристалл и брэгговская решетка, сформированная в одномодовом световоде [2]. Задняя грань кристалла, формирующая резонатор, имеет отражающее покрытие с коэффициентом отражения до 90%, передняя грань – просветляющее покрытие с коэффициентом пропускания 0,01%. Коэффициент отражения решетки обычно составляет 10–20%, селективность решетки 01–10 нм. Для лучшего согласования лазерного кристалла с волоконным световодом на конце световода формируют цилиндрическую микролинзу, увеличивающую эффективность стыковки до 80%.
При совпадении спектров усиления ЛД и отражения дифракционной решетки излучение становится более стабильным и узким, чем у РОС-лазеров [3]. Однако не стоит забывать, что с увеличением несовпадения между этими спектрами снижается значение максимальной мощности, при котором излучение останется стабильным. Повысить стабильность можно конструктивно, если подавить в резонаторе генерацию собственных мод резонатора Фабри-Перо кристалла лазерного диода. По этой причине широкое распространение получила конструкция активного элемента, представляющая собой двухпроходный усилитель (рис.1). Благодаря введению скошенной передней грани в диоде не возникает генерация собственных мод.
Длина волны генерации лазера с брэгговской решеткой определяется из известного соотношения: 2Λ · neff = m · λB, где Λ – период решетки; λB – длина волны лазера; neff – эффективный показатель преломления; m – порядок волновой моды. Все многообразие устройств управления излучением и сигналами с использованием брэгговских решеток построено на использовании этой формулы.
В работе над созданием лазеров, генерирующих динамически стабильное излучение с узкой шириной линии (менее 10 кГц) в диапазоне 635–1650 нм, использованы гетероструктуры InGaAs/GaAs и InGaAsP/InP с квантово-размерными слоями, изготовленные методом МОС-гидридной эпитаксии [4]. Использовалась конструкция ЛД с недотравленной активной областью и изоляцией ZnSe. Длина лазерного кристалла варьировалась в диапазоне 600–1200 мкм. Как было отмечено ранее, перестройка длины волны возможна в пределах линии усиления диода. На практике одночастотный режим генерации удается получать в пределах длины этого диапазона, отсчитанной на уровне половинной мощности. При стыковке ЛД с одиночной брэгговской решеткой генерация начинается на длине волны отражения решетки (см. табл.). Конструкция лазера с волоконно-брэгговской решеткой (ВБР) и с двухпроходным усилителем представлена на рис.2.
Требуемый одночастотный режим и перестройка длины волны обеспечивались с помощью одиночных (дискретных) и четверных (последовательно формируемых) брэгговских решеток с различным периодом, сформированных на одном участке световода. Волоконные брэгговские решетки, использованные в данной работе, были сформированы в волокне с помощью излучения второй гармоники аргонового лазера (λ=244 нм) по схеме интерферометра Ллойда [5]. Длина решеток составила 4–7 мм.
Для дискретной перестройки между четырьмя длинами волн использовался волоконный световод с четырьмя брэгговскими решетками, имеющими различные резонансные длины волн. Решетки были сформированы УФ-излучением путем последовательной экспозиции одного и того же участка волоконного световода. Спектр пропускания такой системы решеток представлен на рис.3. Коэффициент отражения решеток составлял ≈25%. Спектральная ширина пиков отражения была ≈0,3 нм, расстояние между ними – 0,4 нм. В этом случае также использовался лазерный кристалл, способный генерировать излучение на длине волны λ = 1540 нм. Длина кристалла также составляла 1000 мкм.
На рис.4 показана зависимость перестройки длины волны излучения лазера за счет изменения тока накачки, пороговое значение тока составляло Iпор = 54 мА. Все резонансные линии составной решетки находятся в близком совпадении с максимумом контура линии усилия лазера. Технология изготовления перестраиваемых лазерных диодов с излучением на λ = 1546 нм и с четырьмя брэгговскими решетками в одном световоде показывает высокую воспроизводимость параметров при токовой перестройке длины волны. Полученные ранее результаты, когда при Т = 25°C изменением тока накачки ЛД производят перестройку длины волны, усиливая все четыре одночастотные моды гибридного резонатора с уровнем подавления боковых мод не менее 30 дБ, подтверждают все изделия компании:
• λ1 = 1542,6 нм при Iн = 73 мА, Рвых = 1,2 мВт, (рис.4, линия 1);
• λ2 = 1543,0 нм при Iн = 100 мА, Рвых = 3,2 мВт, (рис.4, линия 2);
• λ3 = 1543,5 нм при Iн = 56 мА, Рвых = 0,5 мВт, (рис.4, линия 3);
• λ4 = 1543,8 нм при Iн = 153 мА, Рвых = 6,4 мВт (рис.4 линия 4).
При токе накачки Iн=175 мА условия генерации на всех четырех резонансных длинах волн брэгговской решетки оказываются близкими. Поэтому в спектре выходного излучения присутствуют одновременно все четыре спектральные линии с примерно равными значениями интенсивности.
Аналогичное переключение длины волны генерации было достигнуто при постоянном токе накачки и изменении температуры лазерного кристалла. Плавная перестройка длины волны может быть осуществлена в пределах спектра отражения решетки за счет изменения тока инжекции или температуры ЛД [6]. Величина перестройки зависит от контура отражения решетки (0,15–0,2 нм). Практика показала, что такой способ перестройки не обеспечивает стабильность излучения ЛД.
Более стабильная перестройка в более широком диапазоне возможна за счет изменения показателя преломления волокна в области решетки. Для этого волокно с решеткой располагают на пьезокерамической пластине, способной, как известно, изменять свои линейные размеры. Результат полученных спектров излучения для одиннадцати значений подаваемых на пьезокерамику напряжений отражен на рис.5 [7]. На рис.6 представлена соответствующая зависимость длины волны излучения от напряжения, подаваемого на пьезокерамику.
Таким образом, создав конструкцию излучателя, мы добились того, что при использовании усилительных свойств п/п лазеров с внешним резонатором, выходным зеркалом которого является суперпозиция нескольких решеток с различными резонансными длинами волн, за счет изменения тока инжекции и/или температуры активной области лазерного диода (ЛД) создается последовательная или одновременная генерация излучения на этих длинах волн. Конструкция также предоставляет возможность плавной перестройки длины волны за счет изменения сжатия/растяжения решетки, что очень востребовано при применении этих лазеров в спектроскопии высокого разрешения, в волоконно-оптических линиях связи со спектральным уплотнением каналов, в интерферометрии и подобных им приложениях.
Литература
1. Duraev V.P., A.V.Melnikov. – Spectrochemica Acta. Part A, 52, 1996, p.877–879.
2. Дураев В.П., Неделин Е.Т. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530–1560 нм. – Квантовая электроника, 2001, т. 31, № 6.
3. Hashimoto J.I. et al. – J. Lightwave Technol., 2003, v.21, p. 2002–2009.
4. Mikhailov V., P.Bayvel, R.Wyatt, I.Lealman. – Electronics Letters, 2001, v.37, p.909–910.
5. Медведков О.И., Королев И.Г., Васильев С.А. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств. – М.: НЦВО ИОФ РАН. Препринт, 2004, № 6.
6. Лукьянов В. Н., Семенов А.Т., Шелков Н.В., Якубович С.Д. Лазеры с распределенной обратной связью. – Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 11, с.2373.
7. Lynch S. G., Chen F., Gates J. C. et al. Bragg-grating-stabilized external cavity lasers for gas sensing using tunable diode laser spectroscopy. – Proc. of SPIE, v. 9002, p. 900209–1.
злучение полупроводниковых (п/п) инжекционных лазеров имеет несколько продольных мод и достаточно большую ширину спектра (1–3 нм). Для многих практических лазерных применений важен одночастотный режим генерации. Одночастотные лазеры нашли самое широкое применение в технологиях волоконно-оптических линий связи со спектральным уплотнением каналов, в спектроскопии высокого разрешения, в интерферометрии, в оптических датчиках, в медицине, в экологии, поэтому получение такого режима – важная инженерная задача.
Кроме того, такая важная особенность п/п лазеров, как возможность широкой перестройки длины волны в пределах всего спектрального диапазона усиления (20–40 нм), дополнительно расширяет круг их применений.
На первом этапе при создании п/п перестраиваемых лазеров использовали лазерные диоды (ЛД) с коротким резонатором (100–200 мкм). Учитывая, что межмодовый интервал для таких излучателей велик, разница в усилении соседних мод значительна. В результате спектр излучения лазеров с коротким резонатором обычно имеет одну продольную моду. Перестройки длины волны этих лазеров можно добиться изменением температуры и тока накачки. Но малое значение выходной мощности, большая ширина линии излучения (100 МГц) и нестабильный режим работы – заметные недостатки, сопутствующие эксплуатации таких лазеров.
Более широкое распространение получили лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры). Данный класс лазеров имеет более стабильный одночастотный режим работы, сравнительно небольшую оптическую мощность и достаточно узкую ширину линии излучения – порядка 1–10 нм [1].
Однако многие практические применения одночастотных когерентных излучателей требуют значительно более высоких значений мощности и стабильности ширины узкой линии излучения. Чаще всего, в таких случаях, применяются лазеры с внешним резонатором, в качестве которого использована дифракционная решетка. Основными элементами конструкции подобных излучателей являются лазерный кристалл и брэгговская решетка, сформированная в одномодовом световоде [2]. Задняя грань кристалла, формирующая резонатор, имеет отражающее покрытие с коэффициентом отражения до 90%, передняя грань – просветляющее покрытие с коэффициентом пропускания 0,01%. Коэффициент отражения решетки обычно составляет 10–20%, селективность решетки 01–10 нм. Для лучшего согласования лазерного кристалла с волоконным световодом на конце световода формируют цилиндрическую микролинзу, увеличивающую эффективность стыковки до 80%.
При совпадении спектров усиления ЛД и отражения дифракционной решетки излучение становится более стабильным и узким, чем у РОС-лазеров [3]. Однако не стоит забывать, что с увеличением несовпадения между этими спектрами снижается значение максимальной мощности, при котором излучение останется стабильным. Повысить стабильность можно конструктивно, если подавить в резонаторе генерацию собственных мод резонатора Фабри-Перо кристалла лазерного диода. По этой причине широкое распространение получила конструкция активного элемента, представляющая собой двухпроходный усилитель (рис.1). Благодаря введению скошенной передней грани в диоде не возникает генерация собственных мод.
Длина волны генерации лазера с брэгговской решеткой определяется из известного соотношения: 2Λ · neff = m · λB, где Λ – период решетки; λB – длина волны лазера; neff – эффективный показатель преломления; m – порядок волновой моды. Все многообразие устройств управления излучением и сигналами с использованием брэгговских решеток построено на использовании этой формулы.
В работе над созданием лазеров, генерирующих динамически стабильное излучение с узкой шириной линии (менее 10 кГц) в диапазоне 635–1650 нм, использованы гетероструктуры InGaAs/GaAs и InGaAsP/InP с квантово-размерными слоями, изготовленные методом МОС-гидридной эпитаксии [4]. Использовалась конструкция ЛД с недотравленной активной областью и изоляцией ZnSe. Длина лазерного кристалла варьировалась в диапазоне 600–1200 мкм. Как было отмечено ранее, перестройка длины волны возможна в пределах линии усиления диода. На практике одночастотный режим генерации удается получать в пределах длины этого диапазона, отсчитанной на уровне половинной мощности. При стыковке ЛД с одиночной брэгговской решеткой генерация начинается на длине волны отражения решетки (см. табл.). Конструкция лазера с волоконно-брэгговской решеткой (ВБР) и с двухпроходным усилителем представлена на рис.2.
Требуемый одночастотный режим и перестройка длины волны обеспечивались с помощью одиночных (дискретных) и четверных (последовательно формируемых) брэгговских решеток с различным периодом, сформированных на одном участке световода. Волоконные брэгговские решетки, использованные в данной работе, были сформированы в волокне с помощью излучения второй гармоники аргонового лазера (λ=244 нм) по схеме интерферометра Ллойда [5]. Длина решеток составила 4–7 мм.
Для дискретной перестройки между четырьмя длинами волн использовался волоконный световод с четырьмя брэгговскими решетками, имеющими различные резонансные длины волн. Решетки были сформированы УФ-излучением путем последовательной экспозиции одного и того же участка волоконного световода. Спектр пропускания такой системы решеток представлен на рис.3. Коэффициент отражения решеток составлял ≈25%. Спектральная ширина пиков отражения была ≈0,3 нм, расстояние между ними – 0,4 нм. В этом случае также использовался лазерный кристалл, способный генерировать излучение на длине волны λ = 1540 нм. Длина кристалла также составляла 1000 мкм.
На рис.4 показана зависимость перестройки длины волны излучения лазера за счет изменения тока накачки, пороговое значение тока составляло Iпор = 54 мА. Все резонансные линии составной решетки находятся в близком совпадении с максимумом контура линии усилия лазера. Технология изготовления перестраиваемых лазерных диодов с излучением на λ = 1546 нм и с четырьмя брэгговскими решетками в одном световоде показывает высокую воспроизводимость параметров при токовой перестройке длины волны. Полученные ранее результаты, когда при Т = 25°C изменением тока накачки ЛД производят перестройку длины волны, усиливая все четыре одночастотные моды гибридного резонатора с уровнем подавления боковых мод не менее 30 дБ, подтверждают все изделия компании:
• λ1 = 1542,6 нм при Iн = 73 мА, Рвых = 1,2 мВт, (рис.4, линия 1);
• λ2 = 1543,0 нм при Iн = 100 мА, Рвых = 3,2 мВт, (рис.4, линия 2);
• λ3 = 1543,5 нм при Iн = 56 мА, Рвых = 0,5 мВт, (рис.4, линия 3);
• λ4 = 1543,8 нм при Iн = 153 мА, Рвых = 6,4 мВт (рис.4 линия 4).
При токе накачки Iн=175 мА условия генерации на всех четырех резонансных длинах волн брэгговской решетки оказываются близкими. Поэтому в спектре выходного излучения присутствуют одновременно все четыре спектральные линии с примерно равными значениями интенсивности.
Аналогичное переключение длины волны генерации было достигнуто при постоянном токе накачки и изменении температуры лазерного кристалла. Плавная перестройка длины волны может быть осуществлена в пределах спектра отражения решетки за счет изменения тока инжекции или температуры ЛД [6]. Величина перестройки зависит от контура отражения решетки (0,15–0,2 нм). Практика показала, что такой способ перестройки не обеспечивает стабильность излучения ЛД.
Более стабильная перестройка в более широком диапазоне возможна за счет изменения показателя преломления волокна в области решетки. Для этого волокно с решеткой располагают на пьезокерамической пластине, способной, как известно, изменять свои линейные размеры. Результат полученных спектров излучения для одиннадцати значений подаваемых на пьезокерамику напряжений отражен на рис.5 [7]. На рис.6 представлена соответствующая зависимость длины волны излучения от напряжения, подаваемого на пьезокерамику.
Таким образом, создав конструкцию излучателя, мы добились того, что при использовании усилительных свойств п/п лазеров с внешним резонатором, выходным зеркалом которого является суперпозиция нескольких решеток с различными резонансными длинами волн, за счет изменения тока инжекции и/или температуры активной области лазерного диода (ЛД) создается последовательная или одновременная генерация излучения на этих длинах волн. Конструкция также предоставляет возможность плавной перестройки длины волны за счет изменения сжатия/растяжения решетки, что очень востребовано при применении этих лазеров в спектроскопии высокого разрешения, в волоконно-оптических линиях связи со спектральным уплотнением каналов, в интерферометрии и подобных им приложениях.
Литература
1. Duraev V.P., A.V.Melnikov. – Spectrochemica Acta. Part A, 52, 1996, p.877–879.
2. Дураев В.П., Неделин Е.Т. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530–1560 нм. – Квантовая электроника, 2001, т. 31, № 6.
3. Hashimoto J.I. et al. – J. Lightwave Technol., 2003, v.21, p. 2002–2009.
4. Mikhailov V., P.Bayvel, R.Wyatt, I.Lealman. – Electronics Letters, 2001, v.37, p.909–910.
5. Медведков О.И., Королев И.Г., Васильев С.А. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств. – М.: НЦВО ИОФ РАН. Препринт, 2004, № 6.
6. Лукьянов В. Н., Семенов А.Т., Шелков Н.В., Якубович С.Д. Лазеры с распределенной обратной связью. – Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 11, с.2373.
7. Lynch S. G., Chen F., Gates J. C. et al. Bragg-grating-stabilized external cavity lasers for gas sensing using tunable diode laser spectroscopy. – Proc. of SPIE, v. 9002, p. 900209–1.
Отзывы читателей
