eng
Выпуск #4/2020
В. П. Дураев, С. В. Медведев, С. А. Воронченко
Одночастотные кольцевые полупроводниковые лазеры с волоконным резонатором
Одночастотные кольцевые полупроводниковые лазеры с волоконным резонатором
Просмотры: 2219
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.308.318
Представлены результаты исследований перестраиваемых одночастотных кольцевых полупроводниковых лазеров на длине волны 1 550 и 1 650 нм с волоконным резонатором. Изложены принципы конструирования кольцевых полупроводниковых лазеров с волоконным резонатором с сохранением поляризации и без сохранения поляризации. Обоснован одночастотный режим работы и перестройки длины волны полупроводникового кольцевого лазера. Обсуждаются основные характеристики полупроводниковых кольцевых лазеров и области их применения.
Представлены результаты исследований перестраиваемых одночастотных кольцевых полупроводниковых лазеров на длине волны 1 550 и 1 650 нм с волоконным резонатором. Изложены принципы конструирования кольцевых полупроводниковых лазеров с волоконным резонатором с сохранением поляризации и без сохранения поляризации. Обоснован одночастотный режим работы и перестройки длины волны полупроводникового кольцевого лазера. Обсуждаются основные характеристики полупроводниковых кольцевых лазеров и области их применения.
Теги: diode laser spectroscopy (dls) matching a laser diode to a fiber optical communication lines semiconductor ring laser диодная лазерная спектроскопия (dls) оптические линии связи полупроводниковый кольцевой лазер согласование лазерного диода со световодом
Одночастотные кольцевые полупроводниковые лазеры с волоконным резонатором
и их применение
В. П. Дураев, С. В. Медведев, С. А. Воронченко
Акционерное общество «Новая лазерная техника»,
Москва, Россия
Представлены результаты исследований перестраиваемых одночастотных кольцевых полупроводниковых лазеров на длине волны 1 550 и 1 650 нм с волоконным резонатором. Изложены принципы конструирования кольцевых полупроводниковых лазеров с волоконным резонатором с сохранением поляризации и без сохранения поляризации. Обоснован одночастотный режим работы и перестройки длины волны полупроводникового кольцевого лазера. Обсуждаются основные характеристики полупроводниковых кольцевых лазеров и области их применения.
Статья получена: 14.05.2020
Принята к публикации: 11.06.2020
ВВЕДЕНИЕ
Основой полупроводникового кольцевого лазера (ПКЛ) [1] является полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) бегущей волны. В его конструкции в качестве резонатора используется замкнутое кольцом оптическое волокно с сохранением поляризации или без сохранения поляризации. Активным элементом ПОУ, а соответственно и у ПКЛ, служит суперлюминесцентный излучатель (СЛД) [2].
Полупроводниковые кольцевые лазеры представляют особый интерес тем, что обладают относительной дешевизной изготовления и могут быть использованы во многих отраслях науки и техники. В частности в оптических линиях связи, в устройствах оптической обработки информации [3], в спектроскопии высокого разрешения [4], в навигационных системах, в гироскопии, в качестве задающего генератора в ВЧ и СВЧ генераторах и во многих других устройствах [5].
Одним из важных отличий ПКЛ с волоконным резонатором от других лазеров является возможность встраивать в резонатор широкий спектр оптических устройств и компонентов. Конструкция ПКЛ позволяет использовать волоконный резонатор произвольной длины от нескольких сантиметров до десятков и даже сотен километров. Именно благодаря этим возможностям созданы ПКЛ со сверхдлинными резонаторами.
В резонаторе ПКЛ может осуществляться, в отличие от линейных лазеров, как режим стоящей волны, так и режим бегущей волны. В ПКЛ одновременно могут существовать две волны, распространяющиеся навстречу друг другу в резонаторе. Это свойство позволяет использовать ПКЛ как основу для создания лазерного гироскопа с использованием эффекта Саньяка [6].
В последние годы в области волоконной техники были достигнуты значительные успехи в получении одномодовых оптических волокон, в освоении технологии сварки, в создании оптического волокна с сохранением поляризации, волоконно-оптических изоляторов, элементной базы (волоконных ответвителей, поляризаторов, электрооптических модуляторов и т. п.). Это дало возможность всерьез рассматривать создание на базе полупроводникового кольцевого лазера многих оптических приборов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Общий вид и элементы конструкции ПКЛ представлены на рис. 1. Для изготовления активного элемента ПКЛ в работе использовали эпитаксиальные структуры на основе InGaAsP / lnP (длина волны излучения 1 550, 1 650 нм) с квантово-размерными слоями, изготовленные методом МОС‑гидридной эпитаксии.
Активный элемент ПКЛ имел длину резонатора 1 200–1 600 мкм, а ширина активного полоска 3 мкм. Для уменьшения обратных отражений передняя и задняя грани были скошены под углом 7° к активному волноводу, и на них были нанесены двухслойные просветляющие покрытия (Al2O3 и ZrO2). Покрытия обеспечивают коэффициент отражения менее 0,05% (рис. 2). Мощность суперлюминисцентного излучения составляла 3–7 мВт при токах накачки 300 мА и спектральную ширину 30 нм и более.
Одними из основных трудностей создания ПКЛ являются сборка и проблема ввода излучения в одномодовый световод. Существуют разные способы согласования лазерного диода со световодом. В настоящей работе использовался способ согласования источника излучения с волокном с помощью микролинзы, сформированной на конце световода [1, 7]. Микролинзы могут изготавливать методами плавления и шлифовки.
Метод плавления основан на вытягивании волокна под действием электрической дуги и последующем оплавлении конца волокна для формирования радиуса линзы. Такой способ не позволяет создавать линзы очень маленького радиуса, поэтому максимальное значение коэффициента ввода излучения в световод составляет 40%.
Процедура шлифовки состоит из создания направляющих на конце волокна шлифовкой на грубом порошке (6–9 мкм) и полировки на мелком порошке (1–3 мкм) на ворсистой ткани для создания скругления на конце волокна. Изготовление контролируется с помощью спроецированного на экран изображения, выходящего из волокна через линзу лазерного излучения красного цвета. Такой метод позволяет получать цилиндрические линзы радиусом около 5 мкм (при угле между направляющими 90°). Известно, что геометрически излучающая область торца кристалла ПКЛ представляет собой прямоугольник с размерами 3 × 0,1 мкм. Поэтому угол расходимости пучка в одной плоскости значительно больше, чем в другой и составляет 40–45°. Шлифованная цилиндрическая линза обеспечивает коэффициент ввода излучения в волокно до 80%. Волокно с микролинзой юстировалось на трехкоординатном столике и закреплялось припоем на микропечке (плата, проводящая ток).
Волоконные выводы ПКЛ оконцовываются оптическими коннекторами FC / APC, которые позволяют производить стыковку модуля с остальными элементами оптической системы. При этом торцы коннектора отшлифованы под углом 7°, что снижает величину отражения от границы раздела волокно-воздух, подавляя таким образом нежелательную обратную оптическую связь.
Тип используемого в качестве резонатора волокна также определяется областью применения лазера. Например, в гироскопическом применении необходимо использовать волокно с сохранением поляризации, что обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации ПКЛ в покоящемся состоянии. В ПКЛ использовалось оптическое волокно типа Panda (рис. 3). Данное волокно способно сохранять линейную поляризацию излучения, запущенного вдоль одной из его осей (быстрой или медленной) с экстинкцией более 40 дБ.
Сохранение поляризации в таком волокне обусловлено наличием механических напряжений, вызванных специальными стержнями (см. рис. 3, позиция 2). Эти напряжения приводят к возникновению двулучепреломления вдоль сердцевины волокна.
Главным условием правильной юстировки и оконцовки является совмещение направления линейной поляризации и медленной оси волокна типа Panda. При стыковке активного элемента ПКЛ с волокном необходимо обеспечить такое расположение волокна, чтобы плоскость р-n перехода кристалла ПКЛ совмещалась с медленной осью волокна. При оконцовке коннекторами FC / APC необходимо совместить ключ коннектора с медленной осью волокна. В работе использовался пассивный метод ориентации волокна. Пассивный метод основан на геометрической ориентации оси РМ волокна с визуальной идентификацией позиции напрягающих элементов в поперечном разрезе волокна.
Вывод излучения для регистрации на фотоприемнике осуществляется с помощью волоконного направленного ответвителя. Коэффициент ответвления выбирается в зависимости от конкретного применения лазера. Для применения в гироскопе достаточно выводить 1–5% излучения. При использовании кольцевого лазера как источника излучения применяются большие коэффициенты ответвления. Оптические волоконные ответвители являются волноводным эквивалентом обычных оптических полупрозрачных зеркал.
Ответвители чаще всего изготавливаются либо полировкой сторон, либо свариванием. Использованные в настоящей работе оптические ответвители были изготовлены из одномодового волокна с сохранением поляризации.
В качестве фотоприемника, на котором происходит интерференция и детектирование разностных частот оптического излучения, использовался фотоприемник на длину волны 1,55 мкм. Данный фотоприемник представлял собой PIN фотодиод на четверных соединениях InGaAs / lnP, то есть на тех же соединениях, из которых изготавливается чип ПКЛ. Чувствительность фотодиода на длине волны 1,55 мкм составляла 0,9 А / Вт.
В процессе работы активный элемент ПКЛ, через который пропускаются токи 100–300 мА, сильно нагревается. Это приводит к снижению квантовой эффективности, разрушению волновода и изменению таких параметров, как центр линии усиления и коэффициент усиления. В связи с этим активный элемент помещается на охлаждающий элемент Пельтье.
Элемент Пельтье вместе с встроенным в модуль терморезистором и внешней схемой стабилизации температуры поддерживает постоянную температуру кристалла с точностью 0,1 °C. В качестве источника тока накачки и схемы стабилизации использовался драйвер DLC‑1300.
Было обнаружено, что ПКЛ, в зависимости от используемого волокна резонатора, может работать как в многомодовом, так и в одномодовом режимах. При использовании в качестве резонатора РМ волокна можно добиться одночастотного режима генерации. С РМ волокном в резонаторе существуют две взаимно перпендикулярные волны: одна, идущая по медленной оси, другая – по быстрой. Колебания в этих двух волнах приобретают некоторую разность фаз, а следовательно, соответствующую разность хода, определяемые выражением:
,
где nо и ne – соответственно показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, L – длина волокна.
Вследствие взаимной перпендикулярности колебаний обыкновенная и необыкновенная волны не могут интерферировать между собой. При этом получается свет, поляризованный эллиптически. Если далее по выходе этих двух волн из кристаллической пластинки пропустить их через поляризатор, то устройство из каждой волны пропустит лишь те компоненты, которые поляризованы в одной плоскости, т. е. выделит из обеих когерентных волн колебания одного направления. Далее волны проинтерферируют между собой в зависимости от разности хода, полученной ими в волокне. Следовательно, интенсивность света будет зависеть от разности фаз, приобретенных в волокне обеими волнами. Роль поляризатора играет активный элемент ПОУ, усиливающий в основном только одну поляризацию.
Свободный спектральный интервал, равный расстоянию между соседними максимумами пропускания фильтра, зависит от длины волокна с сохранением поляризации:
.
На рис. 4 показан оптический спектр ПКЛ при длине волокна с сохранением поляризации величиной 1 м.
При такой длине волокна свободный спектральный интервал составляет 4,8 нм, и необходимое для генерации усиление обеспечивается только для одного максимума пропускания фильтра. Ширина линии излучения составляет 0,013 нм, что близко к разрешающей способности анализатора спектра. Частота генерации ПКЛ может плавно перестраиваться путем изменения тока накачки и температуры активного элемента лазера [8].
Результаты
Одним из важнейших измерительных приборов, определяющих уровень развития навигационной техники летательных аппаратов различного назначения, являются датчики вращения. В настоящее время существуют как датчики вращения, основанные на микроэлектромеханических системах, так и датчики, не имеющие подвижных частей: волоконно-оптические гироскопы и гироскопы на газовых кольцевых лазерах, основанные на эффекте Саньяка [1]. Проблемы создания датчика вращения на основе полупроводникового кольцевого лазера (ПКЛ) пока находится в стадии решения [9].
Потенциал такого датчика вращения обещает снижение массогабаритных характеристик и стоимости, простоту изготовления, и, возможно, снижение чувствительности к другим, отличным от вращения воздействиям.
На рис. 5 представлены ватт-амперные характеристики ПОУ (на выходе одного из волоконных выводов ПОУ до замыкания кольца) (рис. 5а) и ПКЛ (на выходе ответвителя) (рис. 5b) на длину волны 1 550 нм. Мощность суперлюминесцентного излучения ПОУ составляла 3,3 мВт при токе накачки 250 мА. В режиме замыкания кольца пороговый ток генерации ПКЛ составил 65 мА, а мощность излучения при токе накачки 200 мА составила 15 мВт, что говорит о том, что ПКЛ работает в режиме генерации.
На оптическом анализаторе спектра «ANDO» измерены оптические спектры излучения ПКЛ до (рис. 5c) и после замыкания кольца (рис. 5d). Спектр сверхлюминесцентного излучения (до замыкания кольца) имел полуширину линии излучения 35 нм на длине волны 1 548 нм, в то время как спектр генерации ПКЛ имел полуширину линии, менее 0,02 нм на длине волны 1 549,2 нм.
Так как длина резонатора ПКЛ обычно составляет от 3,5 метров и более, отсюда следует, что частотный интервал между соседними модами составляет 60 МГц и менее. Ясно, что не существует такого оптического анализатора спектра, который мог бы разрешить моды с таким малым расстоянием между ними. Поэтому оптические спектры, которые приведены выше, являются по сути огибающими реального спектра ПКЛ. Наблюдение продольных мод полупроводникового кольцевого лазера возможно при использовании методики спектрального анализа радиочастотного сигнала с фотоприемника.
На рис. 6 показана схема установки для измерения отклика ПКЛ на вращение. Резонатор ПКЛ имел радиус 15 см и длину 800 м. Направленный ответвитель 1 использовался для вывода части излучения встречных волн из резонатора. Две встречные волны интерферировали в ответвителе 2 и поступали на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника подавался на радиочастотный анализатор спектра GW‑lnstek 7830. ПКЛ был помещен на вращающийся стол. Стол позволяет производить вращение с угловыми скоростями в диапазоне 0–1 000 град / сек. В проводимых исследованиях максимальная скорость вращения достигала 180 град / сек. Съем информации происходит через скользящие контакты, встроенные во вращающийся стол. К скользящим контактам был подключен радиочастотный анализатор спектра. Как известно, кольцевой резонатор лазера чувствителен к невзаимности, поскольку вследствие эффекта Саньяка частоты встречных волн в отсутствие захвата расщепляются. Вследствие наличия весьма значительного рассеяния в активном элементе ПКЛ следует ожидать большой области захвата частот встречных волн, что и было обнаружено: она составила величину 1 град / с.
На рис. 7 представлен оптический и радиочастотный спектр сигнала с фотоприемника, регистрирующего излучение неподвижного ПКЛ, для которого оптические частоты встречных волн совпадают. Фотоприемник обладает квадратичной нелинейностью и выделяет спектр биений большого числа оптических мод, попадающий в радиочастотный диапазон. Расстояние между оптическими модами при длине кольцевого резонатора ПКЛ L=800 м равна 255 кГц, а ширина линии составляет 3 кГц.
Одночастотные полупроводниковые перестраиваемые кольцевые лазеры особенно востребованы в спектроскопии и газовом зондировании, где узкая линия генерации лазера сканирует отдельные линии поглощения газа с очень высоким разрешением (рис. 8). Узкая ширина линии излучения позволяет полностью разрешить отдельные линии поглощения газа (с типичной шириной линий в несколько ГГц при атмосферном давлении) [4]. Измерение проводится путем сравнения центрального пика поглощения с нулевым уровнем по обе стороны линии.
Ниже приведена спектральная характеристика ПКЛ на длину волны 1650 нм (рис. 9). В режиме замыкания кольца пороговый ток генерации ПКЛ составил 60 мА, а мощность излучения при токе накачки 180 мА составила 8 мВт. Спектр генерации ПКЛ имел полуширину линии менее 0,02 нм на длине волны 1649,6 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в работе представлены перестраиваемые одночастотные полупроводниковые кольцевые лазеры с волоконным резонатором с сохранением поляризации на длине волны 1550 и 1650 нм. Исследуемые в работе лазеры имели мощность излучения на выходе волокна в пределах от 8 до 15 мВт. Длина резонатора представленных кольцевых лазеров менялась от нескольких миллиметров до сотен метров. Ширина линии излучения кольцевого лазера с длиной волны 1550 нм при длине волоконного резонатора 800 метров, имела 3 кГц. ПКЛ обладают большим набором свойств, которые позволяют находить всё новые и новые применения в практических целях. В работе показана возможность применения ПКЛ на длине волны 1650 нм для диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) и на длине волны 1550 нм для гироскопии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Патент RU41924. Кольцевой лазер / Дураев В. П., Неделин Е. Т., Недобывайло Т. П., Сумароков М. А.
Патент RU119938. Суперлюминесцентный излучатель / Акпаров В.В., Дураев В. П., Неделин Е. Т., Недобывайло Т. П., Сумароков М. А.
Дураев В. П., Медведев С. В., Воронченко С. А. Оптоэлектронные компоненты для цифровых информационных систем. Фотон-экспресс. 2019; 3(155); 2–5.
Lynch S. G. et al. Bragg-grating-stabilized external cavity lasers for gas sensing using tunable diode laser spectroscopy.Novel In-Plane Semiconductor Lasers XIII. – International Society for Optics and Photonics. 2014; 9002: 900209. DOI: 10.1117/12.2039971.
Дураев В. П., Медведев С. В. Полупроводниковый лазер с кольцевым волоконным резонатором. Квантовая электроника. 2013; 43(10): 914–916.
Акпаров В. В., Дмитриев В. Г., Дураев В. П., Казаков А. А. Полупроводниковый кольцевой лазер и исследование его характеристик в режиме датчика вращения. Квантовая электроника. 2010; 40(10):851–854.
Дураев В. П. Медведев С. В. Физико-математический модель полупроводникового оптического усилителя. Обозрение прикладной и промышленной математики. 2019; 26(2): 105–118.
Chen H. Dynamics of widely tunable single-frequency semiconductor fiber ring laser. Physics Letters A. 2004; 320 (5–6): 333–337. DOI: 10.1016/j.physleta.2003.11.038.
Сахаров В. К. Модель лазерного гироскопа с частотной подставкой. Квантовая электроника. 2016; 46(6): 567–573.
АВТОРЫ
Дураев В. П., д. т. н., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID:0000-0002-2701-0335
Медведев С. В., к. т. н., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID:0000-0001-6289-3228;
Воронченко С. А., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-3913-1097
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
и их применение
В. П. Дураев, С. В. Медведев, С. А. Воронченко
Акционерное общество «Новая лазерная техника»,
Москва, Россия
Представлены результаты исследований перестраиваемых одночастотных кольцевых полупроводниковых лазеров на длине волны 1 550 и 1 650 нм с волоконным резонатором. Изложены принципы конструирования кольцевых полупроводниковых лазеров с волоконным резонатором с сохранением поляризации и без сохранения поляризации. Обоснован одночастотный режим работы и перестройки длины волны полупроводникового кольцевого лазера. Обсуждаются основные характеристики полупроводниковых кольцевых лазеров и области их применения.
Статья получена: 14.05.2020
Принята к публикации: 11.06.2020
ВВЕДЕНИЕ
Основой полупроводникового кольцевого лазера (ПКЛ) [1] является полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) бегущей волны. В его конструкции в качестве резонатора используется замкнутое кольцом оптическое волокно с сохранением поляризации или без сохранения поляризации. Активным элементом ПОУ, а соответственно и у ПКЛ, служит суперлюминесцентный излучатель (СЛД) [2].
Полупроводниковые кольцевые лазеры представляют особый интерес тем, что обладают относительной дешевизной изготовления и могут быть использованы во многих отраслях науки и техники. В частности в оптических линиях связи, в устройствах оптической обработки информации [3], в спектроскопии высокого разрешения [4], в навигационных системах, в гироскопии, в качестве задающего генератора в ВЧ и СВЧ генераторах и во многих других устройствах [5].
Одним из важных отличий ПКЛ с волоконным резонатором от других лазеров является возможность встраивать в резонатор широкий спектр оптических устройств и компонентов. Конструкция ПКЛ позволяет использовать волоконный резонатор произвольной длины от нескольких сантиметров до десятков и даже сотен километров. Именно благодаря этим возможностям созданы ПКЛ со сверхдлинными резонаторами.
В резонаторе ПКЛ может осуществляться, в отличие от линейных лазеров, как режим стоящей волны, так и режим бегущей волны. В ПКЛ одновременно могут существовать две волны, распространяющиеся навстречу друг другу в резонаторе. Это свойство позволяет использовать ПКЛ как основу для создания лазерного гироскопа с использованием эффекта Саньяка [6].
В последние годы в области волоконной техники были достигнуты значительные успехи в получении одномодовых оптических волокон, в освоении технологии сварки, в создании оптического волокна с сохранением поляризации, волоконно-оптических изоляторов, элементной базы (волоконных ответвителей, поляризаторов, электрооптических модуляторов и т. п.). Это дало возможность всерьез рассматривать создание на базе полупроводникового кольцевого лазера многих оптических приборов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Общий вид и элементы конструкции ПКЛ представлены на рис. 1. Для изготовления активного элемента ПКЛ в работе использовали эпитаксиальные структуры на основе InGaAsP / lnP (длина волны излучения 1 550, 1 650 нм) с квантово-размерными слоями, изготовленные методом МОС‑гидридной эпитаксии.
Активный элемент ПКЛ имел длину резонатора 1 200–1 600 мкм, а ширина активного полоска 3 мкм. Для уменьшения обратных отражений передняя и задняя грани были скошены под углом 7° к активному волноводу, и на них были нанесены двухслойные просветляющие покрытия (Al2O3 и ZrO2). Покрытия обеспечивают коэффициент отражения менее 0,05% (рис. 2). Мощность суперлюминисцентного излучения составляла 3–7 мВт при токах накачки 300 мА и спектральную ширину 30 нм и более.
Одними из основных трудностей создания ПКЛ являются сборка и проблема ввода излучения в одномодовый световод. Существуют разные способы согласования лазерного диода со световодом. В настоящей работе использовался способ согласования источника излучения с волокном с помощью микролинзы, сформированной на конце световода [1, 7]. Микролинзы могут изготавливать методами плавления и шлифовки.
Метод плавления основан на вытягивании волокна под действием электрической дуги и последующем оплавлении конца волокна для формирования радиуса линзы. Такой способ не позволяет создавать линзы очень маленького радиуса, поэтому максимальное значение коэффициента ввода излучения в световод составляет 40%.
Процедура шлифовки состоит из создания направляющих на конце волокна шлифовкой на грубом порошке (6–9 мкм) и полировки на мелком порошке (1–3 мкм) на ворсистой ткани для создания скругления на конце волокна. Изготовление контролируется с помощью спроецированного на экран изображения, выходящего из волокна через линзу лазерного излучения красного цвета. Такой метод позволяет получать цилиндрические линзы радиусом около 5 мкм (при угле между направляющими 90°). Известно, что геометрически излучающая область торца кристалла ПКЛ представляет собой прямоугольник с размерами 3 × 0,1 мкм. Поэтому угол расходимости пучка в одной плоскости значительно больше, чем в другой и составляет 40–45°. Шлифованная цилиндрическая линза обеспечивает коэффициент ввода излучения в волокно до 80%. Волокно с микролинзой юстировалось на трехкоординатном столике и закреплялось припоем на микропечке (плата, проводящая ток).
Волоконные выводы ПКЛ оконцовываются оптическими коннекторами FC / APC, которые позволяют производить стыковку модуля с остальными элементами оптической системы. При этом торцы коннектора отшлифованы под углом 7°, что снижает величину отражения от границы раздела волокно-воздух, подавляя таким образом нежелательную обратную оптическую связь.
Тип используемого в качестве резонатора волокна также определяется областью применения лазера. Например, в гироскопическом применении необходимо использовать волокно с сохранением поляризации, что обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации ПКЛ в покоящемся состоянии. В ПКЛ использовалось оптическое волокно типа Panda (рис. 3). Данное волокно способно сохранять линейную поляризацию излучения, запущенного вдоль одной из его осей (быстрой или медленной) с экстинкцией более 40 дБ.
Сохранение поляризации в таком волокне обусловлено наличием механических напряжений, вызванных специальными стержнями (см. рис. 3, позиция 2). Эти напряжения приводят к возникновению двулучепреломления вдоль сердцевины волокна.
Главным условием правильной юстировки и оконцовки является совмещение направления линейной поляризации и медленной оси волокна типа Panda. При стыковке активного элемента ПКЛ с волокном необходимо обеспечить такое расположение волокна, чтобы плоскость р-n перехода кристалла ПКЛ совмещалась с медленной осью волокна. При оконцовке коннекторами FC / APC необходимо совместить ключ коннектора с медленной осью волокна. В работе использовался пассивный метод ориентации волокна. Пассивный метод основан на геометрической ориентации оси РМ волокна с визуальной идентификацией позиции напрягающих элементов в поперечном разрезе волокна.
Вывод излучения для регистрации на фотоприемнике осуществляется с помощью волоконного направленного ответвителя. Коэффициент ответвления выбирается в зависимости от конкретного применения лазера. Для применения в гироскопе достаточно выводить 1–5% излучения. При использовании кольцевого лазера как источника излучения применяются большие коэффициенты ответвления. Оптические волоконные ответвители являются волноводным эквивалентом обычных оптических полупрозрачных зеркал.
Ответвители чаще всего изготавливаются либо полировкой сторон, либо свариванием. Использованные в настоящей работе оптические ответвители были изготовлены из одномодового волокна с сохранением поляризации.
В качестве фотоприемника, на котором происходит интерференция и детектирование разностных частот оптического излучения, использовался фотоприемник на длину волны 1,55 мкм. Данный фотоприемник представлял собой PIN фотодиод на четверных соединениях InGaAs / lnP, то есть на тех же соединениях, из которых изготавливается чип ПКЛ. Чувствительность фотодиода на длине волны 1,55 мкм составляла 0,9 А / Вт.
В процессе работы активный элемент ПКЛ, через который пропускаются токи 100–300 мА, сильно нагревается. Это приводит к снижению квантовой эффективности, разрушению волновода и изменению таких параметров, как центр линии усиления и коэффициент усиления. В связи с этим активный элемент помещается на охлаждающий элемент Пельтье.
Элемент Пельтье вместе с встроенным в модуль терморезистором и внешней схемой стабилизации температуры поддерживает постоянную температуру кристалла с точностью 0,1 °C. В качестве источника тока накачки и схемы стабилизации использовался драйвер DLC‑1300.
Было обнаружено, что ПКЛ, в зависимости от используемого волокна резонатора, может работать как в многомодовом, так и в одномодовом режимах. При использовании в качестве резонатора РМ волокна можно добиться одночастотного режима генерации. С РМ волокном в резонаторе существуют две взаимно перпендикулярные волны: одна, идущая по медленной оси, другая – по быстрой. Колебания в этих двух волнах приобретают некоторую разность фаз, а следовательно, соответствующую разность хода, определяемые выражением:
,
где nо и ne – соответственно показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, L – длина волокна.
Вследствие взаимной перпендикулярности колебаний обыкновенная и необыкновенная волны не могут интерферировать между собой. При этом получается свет, поляризованный эллиптически. Если далее по выходе этих двух волн из кристаллической пластинки пропустить их через поляризатор, то устройство из каждой волны пропустит лишь те компоненты, которые поляризованы в одной плоскости, т. е. выделит из обеих когерентных волн колебания одного направления. Далее волны проинтерферируют между собой в зависимости от разности хода, полученной ими в волокне. Следовательно, интенсивность света будет зависеть от разности фаз, приобретенных в волокне обеими волнами. Роль поляризатора играет активный элемент ПОУ, усиливающий в основном только одну поляризацию.
Свободный спектральный интервал, равный расстоянию между соседними максимумами пропускания фильтра, зависит от длины волокна с сохранением поляризации:
.
На рис. 4 показан оптический спектр ПКЛ при длине волокна с сохранением поляризации величиной 1 м.
При такой длине волокна свободный спектральный интервал составляет 4,8 нм, и необходимое для генерации усиление обеспечивается только для одного максимума пропускания фильтра. Ширина линии излучения составляет 0,013 нм, что близко к разрешающей способности анализатора спектра. Частота генерации ПКЛ может плавно перестраиваться путем изменения тока накачки и температуры активного элемента лазера [8].
Результаты
Одним из важнейших измерительных приборов, определяющих уровень развития навигационной техники летательных аппаратов различного назначения, являются датчики вращения. В настоящее время существуют как датчики вращения, основанные на микроэлектромеханических системах, так и датчики, не имеющие подвижных частей: волоконно-оптические гироскопы и гироскопы на газовых кольцевых лазерах, основанные на эффекте Саньяка [1]. Проблемы создания датчика вращения на основе полупроводникового кольцевого лазера (ПКЛ) пока находится в стадии решения [9].
Потенциал такого датчика вращения обещает снижение массогабаритных характеристик и стоимости, простоту изготовления, и, возможно, снижение чувствительности к другим, отличным от вращения воздействиям.
На рис. 5 представлены ватт-амперные характеристики ПОУ (на выходе одного из волоконных выводов ПОУ до замыкания кольца) (рис. 5а) и ПКЛ (на выходе ответвителя) (рис. 5b) на длину волны 1 550 нм. Мощность суперлюминесцентного излучения ПОУ составляла 3,3 мВт при токе накачки 250 мА. В режиме замыкания кольца пороговый ток генерации ПКЛ составил 65 мА, а мощность излучения при токе накачки 200 мА составила 15 мВт, что говорит о том, что ПКЛ работает в режиме генерации.
На оптическом анализаторе спектра «ANDO» измерены оптические спектры излучения ПКЛ до (рис. 5c) и после замыкания кольца (рис. 5d). Спектр сверхлюминесцентного излучения (до замыкания кольца) имел полуширину линии излучения 35 нм на длине волны 1 548 нм, в то время как спектр генерации ПКЛ имел полуширину линии, менее 0,02 нм на длине волны 1 549,2 нм.
Так как длина резонатора ПКЛ обычно составляет от 3,5 метров и более, отсюда следует, что частотный интервал между соседними модами составляет 60 МГц и менее. Ясно, что не существует такого оптического анализатора спектра, который мог бы разрешить моды с таким малым расстоянием между ними. Поэтому оптические спектры, которые приведены выше, являются по сути огибающими реального спектра ПКЛ. Наблюдение продольных мод полупроводникового кольцевого лазера возможно при использовании методики спектрального анализа радиочастотного сигнала с фотоприемника.
На рис. 6 показана схема установки для измерения отклика ПКЛ на вращение. Резонатор ПКЛ имел радиус 15 см и длину 800 м. Направленный ответвитель 1 использовался для вывода части излучения встречных волн из резонатора. Две встречные волны интерферировали в ответвителе 2 и поступали на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника подавался на радиочастотный анализатор спектра GW‑lnstek 7830. ПКЛ был помещен на вращающийся стол. Стол позволяет производить вращение с угловыми скоростями в диапазоне 0–1 000 град / сек. В проводимых исследованиях максимальная скорость вращения достигала 180 град / сек. Съем информации происходит через скользящие контакты, встроенные во вращающийся стол. К скользящим контактам был подключен радиочастотный анализатор спектра. Как известно, кольцевой резонатор лазера чувствителен к невзаимности, поскольку вследствие эффекта Саньяка частоты встречных волн в отсутствие захвата расщепляются. Вследствие наличия весьма значительного рассеяния в активном элементе ПКЛ следует ожидать большой области захвата частот встречных волн, что и было обнаружено: она составила величину 1 град / с.
На рис. 7 представлен оптический и радиочастотный спектр сигнала с фотоприемника, регистрирующего излучение неподвижного ПКЛ, для которого оптические частоты встречных волн совпадают. Фотоприемник обладает квадратичной нелинейностью и выделяет спектр биений большого числа оптических мод, попадающий в радиочастотный диапазон. Расстояние между оптическими модами при длине кольцевого резонатора ПКЛ L=800 м равна 255 кГц, а ширина линии составляет 3 кГц.
Одночастотные полупроводниковые перестраиваемые кольцевые лазеры особенно востребованы в спектроскопии и газовом зондировании, где узкая линия генерации лазера сканирует отдельные линии поглощения газа с очень высоким разрешением (рис. 8). Узкая ширина линии излучения позволяет полностью разрешить отдельные линии поглощения газа (с типичной шириной линий в несколько ГГц при атмосферном давлении) [4]. Измерение проводится путем сравнения центрального пика поглощения с нулевым уровнем по обе стороны линии.
Ниже приведена спектральная характеристика ПКЛ на длину волны 1650 нм (рис. 9). В режиме замыкания кольца пороговый ток генерации ПКЛ составил 60 мА, а мощность излучения при токе накачки 180 мА составила 8 мВт. Спектр генерации ПКЛ имел полуширину линии менее 0,02 нм на длине волны 1649,6 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в работе представлены перестраиваемые одночастотные полупроводниковые кольцевые лазеры с волоконным резонатором с сохранением поляризации на длине волны 1550 и 1650 нм. Исследуемые в работе лазеры имели мощность излучения на выходе волокна в пределах от 8 до 15 мВт. Длина резонатора представленных кольцевых лазеров менялась от нескольких миллиметров до сотен метров. Ширина линии излучения кольцевого лазера с длиной волны 1550 нм при длине волоконного резонатора 800 метров, имела 3 кГц. ПКЛ обладают большим набором свойств, которые позволяют находить всё новые и новые применения в практических целях. В работе показана возможность применения ПКЛ на длине волны 1650 нм для диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) и на длине волны 1550 нм для гироскопии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Патент RU41924. Кольцевой лазер / Дураев В. П., Неделин Е. Т., Недобывайло Т. П., Сумароков М. А.
Патент RU119938. Суперлюминесцентный излучатель / Акпаров В.В., Дураев В. П., Неделин Е. Т., Недобывайло Т. П., Сумароков М. А.
Дураев В. П., Медведев С. В., Воронченко С. А. Оптоэлектронные компоненты для цифровых информационных систем. Фотон-экспресс. 2019; 3(155); 2–5.
Lynch S. G. et al. Bragg-grating-stabilized external cavity lasers for gas sensing using tunable diode laser spectroscopy.Novel In-Plane Semiconductor Lasers XIII. – International Society for Optics and Photonics. 2014; 9002: 900209. DOI: 10.1117/12.2039971.
Дураев В. П., Медведев С. В. Полупроводниковый лазер с кольцевым волоконным резонатором. Квантовая электроника. 2013; 43(10): 914–916.
Акпаров В. В., Дмитриев В. Г., Дураев В. П., Казаков А. А. Полупроводниковый кольцевой лазер и исследование его характеристик в режиме датчика вращения. Квантовая электроника. 2010; 40(10):851–854.
Дураев В. П. Медведев С. В. Физико-математический модель полупроводникового оптического усилителя. Обозрение прикладной и промышленной математики. 2019; 26(2): 105–118.
Chen H. Dynamics of widely tunable single-frequency semiconductor fiber ring laser. Physics Letters A. 2004; 320 (5–6): 333–337. DOI: 10.1016/j.physleta.2003.11.038.
Сахаров В. К. Модель лазерного гироскопа с частотной подставкой. Квантовая электроника. 2016; 46(6): 567–573.
АВТОРЫ
Дураев В. П., д. т. н., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID:0000-0002-2701-0335
Медведев С. В., к. т. н., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID:0000-0001-6289-3228;
Воронченко С. А., АО «Новая лазерная техника», nolatech@mail.ru, http://nolatech.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-3913-1097
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
