eng
Выпуск #5/2021
В. П. Дураев, С. А. Воронченко, И. С. Молодцов
Перестраиваемый одночастотный полупроводниковый лазерный модуль на базе двухпроходного усилителя на длину волны 1 550 нм
Перестраиваемый одночастотный полупроводниковый лазерный модуль на базе двухпроходного усилителя на длину волны 1 550 нм
Просмотры: 1674
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.5.410.418
Представлены результаты работ по созданию перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазерных модулей на длину волны 1550 нм с внешним резонатором на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), сформированных в одномодовом волоконном. Рассмотрены способы дискретной и плавной перестройки длины волны излучения. Представленные лазерные модули способны генерировать динамически стабильное одночастотное излучение с подавлением боковой моды более 40 дБ, шириной линии генерации 100–500 кГц и выходной оптической мощностью более 35 мВт. Перестройка длины волны спектра излучения лазерного модуля составила 1,5 нм.
Представлены результаты работ по созданию перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазерных модулей на длину волны 1550 нм с внешним резонатором на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), сформированных в одномодовом волоконном. Рассмотрены способы дискретной и плавной перестройки длины волны излучения. Представленные лазерные модули способны генерировать динамически стабильное одночастотное излучение с подавлением боковой моды более 40 дБ, шириной линии генерации 100–500 кГц и выходной оптической мощностью более 35 мВт. Перестройка длины волны спектра излучения лазерного модуля составила 1,5 нм.
Теги: fiber bragg gratings single-frequency tunable laser tuning of the radiation wavelength волоконные брэгговские решетки одночастотный перестраиваемый лазер перестройка длины волны излучения
Перестраиваемый одночастотный полупроводниковый лазерный модуль на базе двухпроходного усилителя на длину волны 1 550 нм
В. П. Дураев, С. А. Воронченко, И. С. Молодцов
АО «Нолатех», Москва, Россия
Представлены результаты работ по созданию перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазерных модулей на длину волны 1550 нм с внешним резонатором на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), сформированных в одномодовом волоконном. Рассмотрены способы дискретной и плавной перестройки длины волны излучения. Представленные лазерные модули способны генерировать динамически стабильное одночастотное излучение с подавлением боковой моды более 40 дБ, шириной линии генерации 100–500 кГц и выходной оптической мощностью более 35 мВт. Перестройка длины волны спектра излучения лазерного модуля составила 1,5 нм.
Ключевые слова: одночастотный перестраиваемый лазер, перестройка длины волны излучения, волоконные брэгговские решетки
Статья получена: 09.08.2021
Статья принята к публикации: 25.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
В последние 20 лет инжекционные лазеры вступили в период их массового применения. Компактность, быстродействие, эффективность и простота устройства реализуются в таких важных применениях как волоконно-оптическая связь, системы памяти и т. д. При этом актуальными являются физические исследования и новые разработки, направленные на выявление и использование предельных возможностей лазеров, на удовлетворение более высоких требований.
Возможность выделения одной частоты и плавная ее перестройка позволили найти применения в различных области научных исследований, таких, как спектроскопия высокого разрешения, аналитическая спектроскопия и, в частности, обнаружение загрязнений атмосферы, измерительная интерферометрия, датчики в различном научном приборостроении и аппаратура медицинского диагностирования, оптическая накачка лазеров на основе кристаллов и стекол, активированных редкоземельными ионами, в первую очередь неодимом, иттербием и эрбием [1]. Также была продемонстрирована возможность применения перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазеров в качестве затравочного источника излучения для одночастных импульсных твердотельных ND : YAG лазеров с шириной линии менее 100 МГц. [2].
СОЗДАНИЕ ЛАЗЕРНОГО МОДУЛЯ
На первом этапе создания полупроводниковых перестраиваемых лазеров использовались лазерные диоды (ЛД) с коротким резонатором (100–200 мкм). Учитывая, что межмодовый интервал для таких излучателей велик, разница в усилении соседних мод достигает значительной величины. В результате спектр излучения лазеров с коротким резонатором обычно имеет одну продольную моду. Перестройка длины волны таких лазеров осуществлялась путем изменения температуры и тока накачки. Недостатком таких лазеров являлось малое значение выходной мощности, большая ширина линии излучения (100 МГц), а также нестабильный режим работы.
Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС) с динамической одиночной продольной модой стал первым выбором в качестве источника света для оптоволоконной связи, что обеспечило его популярность в области одночастотных полупроводниковых лазеров. В данном типе одночастотных лазеров дифракционная решетка интегрирована в резонатор лазерного диода. Данный класс лазеров имеет более стабильный одночастотный режим работы сравнительно небольшую оптическую мощность и ширину линии излучения порядка 1–10 МГц [3]. Перестройка длины волны осуществляется за счет изменения температуры лазера или тока накачки [4].
Для одночастотных полупроводниковых лазеров крайне важна стабильность и ширина линии излучения. На стабильность и ширину линии в режиме свободной генерации лазера влияет множество параметров, в том числе частотный шум. Источником частотного шума в основном является спонтанное излучение. Кроме того, изменение стационарного числа фотонов из-за спонтанного излучения вызывает соответствующее изменение усиления, т. е. концентрации электронов, что, в свою очередь, приводит к изменению показателя преломления и частоты генерации. Вместе с числом носителей флуктуируют как электрический ток, так и степень нагрева самого вещества. [5]. В результате даже в одночастотных РОС и лазерах с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ) не удаётся получить ширину линии генерации менее 1 МГц.
Для подавления частотного шума, проявляющегося в режиме свободной генерации, и дальнейшего сужения линии генерации используют лазеры с внешним резонатором.
На выходную грань активного элемента наносится просветляющее покрытие, тем самым исключая эту грань из формирования геометрии лазерного резонатора. В качестве глухого зеркала выступает селективный по длине волны элемент, как правило это дифракционная или брэгговская решётка. Созданная таким образом положительная обратная связь будет порождать фотоны той частоты, на которую настроен селективный элемент. Диапазон непрерывной перестройки и точность зависят от конструкции оптики и соответствующей механики.
Альтернатива лазерам с внешней дифракционной решеткой – это лазер в ВБР, где ВБР выполняет роль внешнего частотно-селективного элемента [6–8]. Такой подход является более простым и надежным, так как исключает наличие множества подвижных компонентов. На рис. 1 представлена структурная схема модуля. Основными элементами конструкции являются: двухпроходный усилитель (1) с отражающим покрытием на задней грани резонатора 90% и просветляющим покрытием передней грани 0,01%, а также скошенным волноводом к выходной грани под углом 8˚; брэгговской решеткой (2), сформированной в сердцевине волокна; цилиндрической микролинзой (3), сформированной на торце волокна и обеспечивающей ввод излучения в оптическое волокно более 80%; оптический изолятор (4) и пьезокермика (5), на которой жестко закреплено оптическое волокно с ВБР.
Расстояние от выходной грани активного элемента до ВБР составляет 10 мм. Это ограничение обусловлено особенностями технологии крепления оптического волокна, юстировки оптического волокна относительно активного элемента и креплением ВБР к пьезокерамике. Если не использовать пьезокерамику и отказаться от возможности перестройки, то это расстояние можно уменьшить до 3–5 мм.
ВБР, используемые в данной работе, были изготовлены ООО «ЛИКоптика» с помощью метода фазовой маски. Спектральная ширина ВБР выбиралась минимальной (0,08 нм), чтобы исключить попадание соседних лазерных мод внутрь селективности ВБР. Параметры ВБР приведены в табл. 1.
Перестройка длины волны длины волны осуществляется согласно закону Брэгга:
λB = 2 neff Λ ,
где длина волны брэгговской решетки λB – это центральная длина волны Брэгга, которая будет отражаться обратно от брэгговской решетки, а neff – эффективный показатель преломления сердцевины волокна на центральной длине волны, Λ – период решетки.
Длина волны Брэгга зависит от эффективного показателя преломления сердцевины волокна и от периода решетки, на которые влияют изменения температуры и деформационные растяжения.
В работе использовались эпитаксиальные структуры на основе InAlGaAs / lnP (длина волны излучения 1 300–1 650 нм) с квантово-размерными слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии. Структуры были изготовлены АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха». Активный элемент изготовлен на базе гребешкового волновода. Длина резонатора двухпроходного усилителя составила 1 мм.
В нашей работе использовался пьезокерамический элемент, основанный на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Он был изготовлен АО «НИИ «Элпа». На пьезокерамику жестко закрепляется волокно с ВБР. При растяжении-сжатии пьезокерамики изменяется период ВБР, что приводит к изменению резонансной длины волны Брэгга. Ниже в табл. 2 приведены характеристики пьезокерамики, используемой в этой работе.
Все элементы лазерного модуля помещаются в унифицированный корпус 14 pin DIL «Butterfly». На рис. 2 а изображена упрощенная модель размещения всех составных элементов в корпусе, а на рис. 2 b изображен готовый лазерный модуль с платой управления.
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для измерения ватт-амперных (ВтАХ) и вольт-амперных характеристик (ВАХ) перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля используется стенд, структурная схема которого изображена на рис. 3.
Контроллер температуры ЛД позволяет контролировать и изменять температуру термоэлектрического микроохладителя (ТЭМО), на котором расположен двухпроходный усилитель. Данная схема изготовлена на базе драйвера DLC‑1300 производства компании АО «НОЛАТЕХ».
Ниже на рис. 4 представлены ВАХ и ВтАХ перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля, изготовленного на базе двухпроходного усилителя.
С ростом тока накачки активная область двухпроходного усилителя нагревается за счет джоулева нагрева, что вызывает смещение продольной моды двухпроходного усилителя между двумя модами внешнего резонатора. Это вносит нестабильность в одночастотный режим генерации с появлением перескока моды. На графике ватт-амперной характеристики это выглядит как излом кривой. Далее наблюдается стабильный одночастотный режим работы лазера до следующего перескока моды. Так как в двухпроходном усилителе влияние внутреннего резонатора максимально подавлено, то перескоки мод не так явно выражены, по сравнению с активным элементом, имеющим прямой полосок. Характеристики перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля приведены в табл. 3.
На рис. 5 показаны ватт-амперные характеристики перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазеров при разных значениях температуры активного элемента.
Увеличение температуры приводит к сильному падению выходной мощности. Сильная температурная зависимость выходной оптической мощности объясняется уменьшением коэффициента усиления с ростом температуры. Увеличение температуры приводит к росту безызлучательных процессов, доминирующим из которых является Оже-рекомбинация. Сильная температурная зависимость характерна для лазеров в диапазоне длин волн 1 300–1 650 нм.
Для исследования спектральных характеристик перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазеров использовался оптический анализатор спектра AQ6317 (Ando, Япония). Измерение длины волны и анализ оптического спектра излучения осуществляются в диапазоне 600–1 700 нм. Разрешающая способность 0,01 нм. В логарифмическом масштабе наблюдалось значительное подавление боковой моды, которое составило 40–45 дБ. Спектр излучения представлен на рис. 6.
Ширина линии генерации составляла ~10–100 кГц, данный эффект радикального сужения ширины линии излучения перестраиваемого одночастного лазерного модуля исследовался в научном центре волоконной техники при ИОФ РАН с помощью волоконного интерферометра Маха-Цандера [9].
На рис. 7 представлена зависимость длины волны лазерного модуля от напряжения на пьезокерамике (растяжения ВБР). Так как зависимость растяжения пьезокерамики от подаваемого на нее напряжения представляет петлю гестерезиса, то и зависимость смещения длины волны генерации от растяжения пьезокерамики тоже имеет петлю гестерезиса. Шаг перестройки составляет 0,04 нм, что является межмодовым расстоянием для внешнего резонатора, образованным ВБР и двухпроходным усилителем. Влияние внутреннего резонатора на качество перестроечной кривой отсутствует. Перестройка длины волны происходит по красному и синему графикам.
Плавную перестройку длины волны лазерного модуля можно осуществить с помощью модуляции тока накачки или температуры активного элемента [10]. При этом диапазон перестройки строго ограничен селективностью ВБР 0,08 нм.
ВЫВОДЫ
Таким образом, был создан перестраиваемый одночастотный полупроводниковый лазерный модуль на базе двухпроходного усилителя, излучающий на длине волны 1 550 нм. Представлены их основные конструктивные и эксплуатационные характеристики. Мощность излучения на выходе оптического волокна – 35 мВт. Ширина линии излучения лазерного модуля в одночастном режиме составляет 100–500 кГц и перестраивается в пределах 1–1,5 нм. Ресурс работы 100 тысяч часов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Zujie Fang, Haiwen Cai, Gaoting Chen, Ronghui Qu. Single Frequency Semiconductor Lasers. Springer Singapore. 2017. 306 p.
Богданович М. В., Дураев В. П., Калинов В. С., Костик О. Е., Ланцов К. И., Лепченков К. В., Машко В. В., Рябцев А. Г., Рябцев Г. И., Тепляшин Л. Л. Моноимпульсный Nd : YAG-лазер с поперечной диодной накачкой и инжекцией излучения одночастотного полупроводникового лазерного модуля. Квантовая электроника. 2016; 46(10): 870–872. URL:[http://mi.mathnet.ru/rus/qe/v46/i10/p870].
Спенсер Д. Е., Янг П. Сравнение DBR-лазерных диодов от компании Photodigm с DFB-лазерами. Фотоника. 2018;70(2):166–173. DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.166.173.
Багаева О. О., Галиев Р. Р., Данилов А. И., Иванов А. В., Курносов В. Д., Курносов К. В., Курнявко Ю. В., Ладугин М. А., Мармалюк А. А., Романцевич В. И., Симаков В. А., Чернов Р. В., Шишков В. В. Экспериментальные исследования мощных полупроводниковых одночастотных лазеров спектрального диапазона 1,5–1,6 мкм. Квантовая электроника. 2020;50(2): 143–146. URL: [http://dx.doi.org/10.1070/QEL17183].
Камия Т., Оцу М., Ямамото В. Физика полупроводниковых лазеров / Пер. с японского / под ред. Х. Такумы. – М.: Мир. 1989. 310 с.
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.
Lynch S. G. et al. External cavity diode laser based upon an FBG in an integrated optical fiber platform. Optics express. 2016; 24(8): 8391–8398.
Juodawlkis P. W. et al. High-power ultralow-noise semiconductor external cavity lasers based on low-confinement optical waveguide gain media. Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. – International Society for Optics and Photonics. 2010; 7616: 76160X.
Беловолов М. И., Дианов Е. М., Дураев В. П. и др. Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках. – М.: ИОФАН. 2002. 67 с.
Дураев В. П., Медведев С. В. Одночастотные полупроводниковые лазеры на основе двухпроходных усилителей. Фотоника. 2015; 9(6):54–61. URL: [www.photonics.su/journal/article/4987].
АВТОРЫ
Дураев В. П., д. т. н., АО «Новая лазерная техника», Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
ORCID:0000-0002-2701-0335
Воронченко С. А., АО «Новая лазерная техника», 117342, Россия, Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
ORCID: 0000-0002-3913-1097
Молодцов И. С., АО «Новая лазерная техника», 117342, Россия, Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
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.
В. П. Дураев, С. А. Воронченко, И. С. Молодцов
АО «Нолатех», Москва, Россия
Представлены результаты работ по созданию перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазерных модулей на длину волны 1550 нм с внешним резонатором на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), сформированных в одномодовом волоконном. Рассмотрены способы дискретной и плавной перестройки длины волны излучения. Представленные лазерные модули способны генерировать динамически стабильное одночастотное излучение с подавлением боковой моды более 40 дБ, шириной линии генерации 100–500 кГц и выходной оптической мощностью более 35 мВт. Перестройка длины волны спектра излучения лазерного модуля составила 1,5 нм.
Ключевые слова: одночастотный перестраиваемый лазер, перестройка длины волны излучения, волоконные брэгговские решетки
Статья получена: 09.08.2021
Статья принята к публикации: 25.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
В последние 20 лет инжекционные лазеры вступили в период их массового применения. Компактность, быстродействие, эффективность и простота устройства реализуются в таких важных применениях как волоконно-оптическая связь, системы памяти и т. д. При этом актуальными являются физические исследования и новые разработки, направленные на выявление и использование предельных возможностей лазеров, на удовлетворение более высоких требований.
Возможность выделения одной частоты и плавная ее перестройка позволили найти применения в различных области научных исследований, таких, как спектроскопия высокого разрешения, аналитическая спектроскопия и, в частности, обнаружение загрязнений атмосферы, измерительная интерферометрия, датчики в различном научном приборостроении и аппаратура медицинского диагностирования, оптическая накачка лазеров на основе кристаллов и стекол, активированных редкоземельными ионами, в первую очередь неодимом, иттербием и эрбием [1]. Также была продемонстрирована возможность применения перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазеров в качестве затравочного источника излучения для одночастных импульсных твердотельных ND : YAG лазеров с шириной линии менее 100 МГц. [2].
СОЗДАНИЕ ЛАЗЕРНОГО МОДУЛЯ
На первом этапе создания полупроводниковых перестраиваемых лазеров использовались лазерные диоды (ЛД) с коротким резонатором (100–200 мкм). Учитывая, что межмодовый интервал для таких излучателей велик, разница в усилении соседних мод достигает значительной величины. В результате спектр излучения лазеров с коротким резонатором обычно имеет одну продольную моду. Перестройка длины волны таких лазеров осуществлялась путем изменения температуры и тока накачки. Недостатком таких лазеров являлось малое значение выходной мощности, большая ширина линии излучения (100 МГц), а также нестабильный режим работы.
Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС) с динамической одиночной продольной модой стал первым выбором в качестве источника света для оптоволоконной связи, что обеспечило его популярность в области одночастотных полупроводниковых лазеров. В данном типе одночастотных лазеров дифракционная решетка интегрирована в резонатор лазерного диода. Данный класс лазеров имеет более стабильный одночастотный режим работы сравнительно небольшую оптическую мощность и ширину линии излучения порядка 1–10 МГц [3]. Перестройка длины волны осуществляется за счет изменения температуры лазера или тока накачки [4].
Для одночастотных полупроводниковых лазеров крайне важна стабильность и ширина линии излучения. На стабильность и ширину линии в режиме свободной генерации лазера влияет множество параметров, в том числе частотный шум. Источником частотного шума в основном является спонтанное излучение. Кроме того, изменение стационарного числа фотонов из-за спонтанного излучения вызывает соответствующее изменение усиления, т. е. концентрации электронов, что, в свою очередь, приводит к изменению показателя преломления и частоты генерации. Вместе с числом носителей флуктуируют как электрический ток, так и степень нагрева самого вещества. [5]. В результате даже в одночастотных РОС и лазерах с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ) не удаётся получить ширину линии генерации менее 1 МГц.
Для подавления частотного шума, проявляющегося в режиме свободной генерации, и дальнейшего сужения линии генерации используют лазеры с внешним резонатором.
На выходную грань активного элемента наносится просветляющее покрытие, тем самым исключая эту грань из формирования геометрии лазерного резонатора. В качестве глухого зеркала выступает селективный по длине волны элемент, как правило это дифракционная или брэгговская решётка. Созданная таким образом положительная обратная связь будет порождать фотоны той частоты, на которую настроен селективный элемент. Диапазон непрерывной перестройки и точность зависят от конструкции оптики и соответствующей механики.
Альтернатива лазерам с внешней дифракционной решеткой – это лазер в ВБР, где ВБР выполняет роль внешнего частотно-селективного элемента [6–8]. Такой подход является более простым и надежным, так как исключает наличие множества подвижных компонентов. На рис. 1 представлена структурная схема модуля. Основными элементами конструкции являются: двухпроходный усилитель (1) с отражающим покрытием на задней грани резонатора 90% и просветляющим покрытием передней грани 0,01%, а также скошенным волноводом к выходной грани под углом 8˚; брэгговской решеткой (2), сформированной в сердцевине волокна; цилиндрической микролинзой (3), сформированной на торце волокна и обеспечивающей ввод излучения в оптическое волокно более 80%; оптический изолятор (4) и пьезокермика (5), на которой жестко закреплено оптическое волокно с ВБР.
Расстояние от выходной грани активного элемента до ВБР составляет 10 мм. Это ограничение обусловлено особенностями технологии крепления оптического волокна, юстировки оптического волокна относительно активного элемента и креплением ВБР к пьезокерамике. Если не использовать пьезокерамику и отказаться от возможности перестройки, то это расстояние можно уменьшить до 3–5 мм.
ВБР, используемые в данной работе, были изготовлены ООО «ЛИКоптика» с помощью метода фазовой маски. Спектральная ширина ВБР выбиралась минимальной (0,08 нм), чтобы исключить попадание соседних лазерных мод внутрь селективности ВБР. Параметры ВБР приведены в табл. 1.
Перестройка длины волны длины волны осуществляется согласно закону Брэгга:
λB = 2 neff Λ ,
где длина волны брэгговской решетки λB – это центральная длина волны Брэгга, которая будет отражаться обратно от брэгговской решетки, а neff – эффективный показатель преломления сердцевины волокна на центральной длине волны, Λ – период решетки.
Длина волны Брэгга зависит от эффективного показателя преломления сердцевины волокна и от периода решетки, на которые влияют изменения температуры и деформационные растяжения.
В работе использовались эпитаксиальные структуры на основе InAlGaAs / lnP (длина волны излучения 1 300–1 650 нм) с квантово-размерными слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии. Структуры были изготовлены АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха». Активный элемент изготовлен на базе гребешкового волновода. Длина резонатора двухпроходного усилителя составила 1 мм.
В нашей работе использовался пьезокерамический элемент, основанный на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Он был изготовлен АО «НИИ «Элпа». На пьезокерамику жестко закрепляется волокно с ВБР. При растяжении-сжатии пьезокерамики изменяется период ВБР, что приводит к изменению резонансной длины волны Брэгга. Ниже в табл. 2 приведены характеристики пьезокерамики, используемой в этой работе.
Все элементы лазерного модуля помещаются в унифицированный корпус 14 pin DIL «Butterfly». На рис. 2 а изображена упрощенная модель размещения всех составных элементов в корпусе, а на рис. 2 b изображен готовый лазерный модуль с платой управления.
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для измерения ватт-амперных (ВтАХ) и вольт-амперных характеристик (ВАХ) перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля используется стенд, структурная схема которого изображена на рис. 3.
Контроллер температуры ЛД позволяет контролировать и изменять температуру термоэлектрического микроохладителя (ТЭМО), на котором расположен двухпроходный усилитель. Данная схема изготовлена на базе драйвера DLC‑1300 производства компании АО «НОЛАТЕХ».
Ниже на рис. 4 представлены ВАХ и ВтАХ перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля, изготовленного на базе двухпроходного усилителя.
С ростом тока накачки активная область двухпроходного усилителя нагревается за счет джоулева нагрева, что вызывает смещение продольной моды двухпроходного усилителя между двумя модами внешнего резонатора. Это вносит нестабильность в одночастотный режим генерации с появлением перескока моды. На графике ватт-амперной характеристики это выглядит как излом кривой. Далее наблюдается стабильный одночастотный режим работы лазера до следующего перескока моды. Так как в двухпроходном усилителе влияние внутреннего резонатора максимально подавлено, то перескоки мод не так явно выражены, по сравнению с активным элементом, имеющим прямой полосок. Характеристики перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазерного модуля приведены в табл. 3.
На рис. 5 показаны ватт-амперные характеристики перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазеров при разных значениях температуры активного элемента.
Увеличение температуры приводит к сильному падению выходной мощности. Сильная температурная зависимость выходной оптической мощности объясняется уменьшением коэффициента усиления с ростом температуры. Увеличение температуры приводит к росту безызлучательных процессов, доминирующим из которых является Оже-рекомбинация. Сильная температурная зависимость характерна для лазеров в диапазоне длин волн 1 300–1 650 нм.
Для исследования спектральных характеристик перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазеров использовался оптический анализатор спектра AQ6317 (Ando, Япония). Измерение длины волны и анализ оптического спектра излучения осуществляются в диапазоне 600–1 700 нм. Разрешающая способность 0,01 нм. В логарифмическом масштабе наблюдалось значительное подавление боковой моды, которое составило 40–45 дБ. Спектр излучения представлен на рис. 6.
Ширина линии генерации составляла ~10–100 кГц, данный эффект радикального сужения ширины линии излучения перестраиваемого одночастного лазерного модуля исследовался в научном центре волоконной техники при ИОФ РАН с помощью волоконного интерферометра Маха-Цандера [9].
На рис. 7 представлена зависимость длины волны лазерного модуля от напряжения на пьезокерамике (растяжения ВБР). Так как зависимость растяжения пьезокерамики от подаваемого на нее напряжения представляет петлю гестерезиса, то и зависимость смещения длины волны генерации от растяжения пьезокерамики тоже имеет петлю гестерезиса. Шаг перестройки составляет 0,04 нм, что является межмодовым расстоянием для внешнего резонатора, образованным ВБР и двухпроходным усилителем. Влияние внутреннего резонатора на качество перестроечной кривой отсутствует. Перестройка длины волны происходит по красному и синему графикам.
Плавную перестройку длины волны лазерного модуля можно осуществить с помощью модуляции тока накачки или температуры активного элемента [10]. При этом диапазон перестройки строго ограничен селективностью ВБР 0,08 нм.
ВЫВОДЫ
Таким образом, был создан перестраиваемый одночастотный полупроводниковый лазерный модуль на базе двухпроходного усилителя, излучающий на длине волны 1 550 нм. Представлены их основные конструктивные и эксплуатационные характеристики. Мощность излучения на выходе оптического волокна – 35 мВт. Ширина линии излучения лазерного модуля в одночастном режиме составляет 100–500 кГц и перестраивается в пределах 1–1,5 нм. Ресурс работы 100 тысяч часов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Zujie Fang, Haiwen Cai, Gaoting Chen, Ronghui Qu. Single Frequency Semiconductor Lasers. Springer Singapore. 2017. 306 p.
Богданович М. В., Дураев В. П., Калинов В. С., Костик О. Е., Ланцов К. И., Лепченков К. В., Машко В. В., Рябцев А. Г., Рябцев Г. И., Тепляшин Л. Л. Моноимпульсный Nd : YAG-лазер с поперечной диодной накачкой и инжекцией излучения одночастотного полупроводникового лазерного модуля. Квантовая электроника. 2016; 46(10): 870–872. URL:[http://mi.mathnet.ru/rus/qe/v46/i10/p870].
Спенсер Д. Е., Янг П. Сравнение DBR-лазерных диодов от компании Photodigm с DFB-лазерами. Фотоника. 2018;70(2):166–173. DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.166.173.
Багаева О. О., Галиев Р. Р., Данилов А. И., Иванов А. В., Курносов В. Д., Курносов К. В., Курнявко Ю. В., Ладугин М. А., Мармалюк А. А., Романцевич В. И., Симаков В. А., Чернов Р. В., Шишков В. В. Экспериментальные исследования мощных полупроводниковых одночастотных лазеров спектрального диапазона 1,5–1,6 мкм. Квантовая электроника. 2020;50(2): 143–146. URL: [http://dx.doi.org/10.1070/QEL17183].
Камия Т., Оцу М., Ямамото В. Физика полупроводниковых лазеров / Пер. с японского / под ред. Х. Такумы. – М.: Мир. 1989. 310 с.
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.
Lynch S. G. et al. External cavity diode laser based upon an FBG in an integrated optical fiber platform. Optics express. 2016; 24(8): 8391–8398.
Juodawlkis P. W. et al. High-power ultralow-noise semiconductor external cavity lasers based on low-confinement optical waveguide gain media. Novel In-Plane Semiconductor Lasers IX. – International Society for Optics and Photonics. 2010; 7616: 76160X.
Беловолов М. И., Дианов Е. М., Дураев В. П. и др. Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках. – М.: ИОФАН. 2002. 67 с.
Дураев В. П., Медведев С. В. Одночастотные полупроводниковые лазеры на основе двухпроходных усилителей. Фотоника. 2015; 9(6):54–61. URL: [www.photonics.su/journal/article/4987].
АВТОРЫ
Дураев В. П., д. т. н., АО «Новая лазерная техника», Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
ORCID:0000-0002-2701-0335
Воронченко С. А., АО «Новая лазерная техника», 117342, Россия, Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
ORCID: 0000-0002-3913-1097
Молодцов И. С., АО «Новая лазерная техника», 117342, Россия, Москва, Россия,
http://nolatech.ru.
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
