WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

4. International Conference on LASER and FIBER-OPTICAL NETWORKS MODELING (LFNM), Украина, Алушта, Июнь 2003.

По материалам диссертации были сделаны доклады на семинарах кафедры Физики колебаний физического факультета МГУ, а также на семинарах лаборатории “Быстропротекающих процессов в приборах и материалах твердотельной электроники”.

По результатам исследований опубликованы 3 статьи и 5 тезисов докладов на конференциях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав текста, выводов и списка литературы. Общий объем составляет 109 страниц. Диссертация включает 28 рисунков и 7 таблиц. Библиография содержит 108 наименований, а также 8 авторских публикаций, представленных в отдельном списке.

Краткое содержание диссертации Во Введении содержится описание области научных исследований, к которой относится данная работа. Кратко изложено содержание представленных в литературе работ по данному направлению и обоснована актуальность темы исследований.

Изложены цели диссертационной работы и ее наиболее важные результаты вместе с описаниями их новизны и практической значимости. Приведено краткое изложение содержания диссертации.

Глава I представляет собой обзор литературы, в котором рассматривается современное состояние исследований полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором. Описаны основные различия между лазерами с вертикальным резонатором и традиционными инжекционными лазерами, излучающими через край (см. рис. 1). Рассматриваются принципиальные преимущества и недостатки ЛВР.

(а) (б) (в) Рис. 1: Традиционный инжекционный лазер, излучающий через край (а); лазер с вертикальным резонатором (б); лазер с вертикальным резонатором и брэгговскими зеркалами (в).

Наряду с описанием современных ЛВР проведен анализ основных тенденций развития таких приборов Подробно рассмотрено состояние дел в следующих направлениях развития теории и технологии ЛВР:

• длинноволновые ЛВР, работающие в диапазоне длин волн 1.3 и 1.55 мкм;

• одночастотные ЛВР повышенной (более 1 мВт) мощности;

• двухчастотные ЛВР;

• перестраиваемые ЛВР;

• многомодовые ЛВР с мощностью излучения порядка 1 Вт.

В разделе, посвященном технологиям создания одночастотных ЛВР повышенной мощности, представлено описание более десятка различных методик подавления поперечных мод и контроля поляризации излучения, применявшихся в подобных лазерах. Выходные мощности и пороговые токи устройств, созданных с использованием технологий из этого списка, сведены в таблицу, дающую представление о характеристиках современных одночастотных ЛВР.

Приведено описание методик математического моделирования лазеров с вертикальным резонатором. Рассмотрены основные части полной математической модели полупроводникового лазера: электрическая, тепловая и оптическая. Оптические модели разделены на скалярные и векторные. В последнем параграфе Главы I рассмотрены опубликованные теоретические и экспериментальные работы, посвященные изучению свойств лазеров со связанными вертикальными резонаторами.

На основании рассмотренных статей дано обоснование актуальности выбранной темы исследований.

В Главе II приведено описание предложенной математической модели лазера со связанными вертикальными резонаторами и дано ее обоснование.

Оптическая часть модели базируется на использовании метода эффективной частоты решения скалярного волнового уравнения, модифицированного для использования в лазерах со связанными резонаторами. Этот метод обеспечивает:

• высокую для скалярного метода точность;

• быстроту расчета, оставляющую возможность проводить решение уравнений оптической части модели на каждом шаге по времени;

• учет группового показателя преломления.

Эффективность использования метода эффективной частоты подтверждена примерами его использования другими научными группами.

Основная идея метода состоит в представлении трехмерного скалярного уравнения Гельмгольца двумя уравнениями, описывающими распространение излучения в направлениях: перпендикулярном зеркалам (ось z) и в плоскости слоев, лазера, где заданы полярные координаты ( ), как показано на рис.2.

.

(а) (б) (в) Рис. 2: Конструкция ЛСВР. (а) – трехмерный вид, (б) – схема ЛСВР, использовавшаяся в расчетах, (в) - профиль показателя преломления вдоль оси z (РБО – распределенный брэгговский отражатель).

Динамическая часть модели рассматривает изменения концентраций носителей в активной области и фотонов в резонаторе с течением времени. С этой целью проводится решение скоростных уравнений для лазера с двумя резонаторами. Эти уравнения должны учитывать наличие в ЛСВР двух продольных мод, которые обычно обозначаются как L – мода (мода с большей длиной волны) и S-мода (мода с меньшей длиной волны). Благодаря этому скоростные уравнения для ЛСВР обладают особенностями, отличающими их от традиционных скоростных уравнений для полупроводникового лазера с одним резонатором:

• при достаточном усилении в обеих активных областях продольные моды L и S выжигают носители как в “своем”, так и в “чужом” резонаторах и, соответственно, усиливаются в обоих резонаторах;

• напротив, в случае если одна из активных областей накачивается недостаточно, в ней будут поглощаться фотоны обеих продольных мод. В результате этого возможен рост концентрации носителей в активной области, в которую электрическая накачка не осуществляется (имеет место оптическая накачка пассивного резонатора);

• фотоны, рожденные в результате спонтанной рекомбинации в любом резонаторе, могут попасть в любую продольную моду Обе части модели интегрируются в единое целое следующим образом. На каждом шаге по времени производится нахождение распределений интенсивности, длин волн и коэффициентов усиления мод устройства. С учетом этих величин решаются скоростные уравнения. Полученные в результате распределения концентрации носителей в активных областях используются в оптической части модели: от концентрации носителей зависит показатель преломления и коэффициент усиления активной области. Таким образом представленная математическая модель описывает связь между физическими процессами в ЛСВР, имеющими электрическую и оптическую природу.

Наряду с уравнениями модели рассмотрены численные методы их решения и вопросы быстродействия реализованной компьютерной программы. Приведены параметры ЛСВР, использованные в расчетах.

Глава III посвящена исследованию структуры и методов селекции поперечных мод ЛСВР. Проведена оптимизация параметров конструкции ЛСВР с целью создания лазера, в котором максимально эффективно осуществляется подавление поперечных мод высоких порядков.

Порядок расчетов был следующим. Рассматривались два наиболее технологически простых метода подавления поперечных мод за счет модификации структуры верхнего брэгговского зеркала: внедрение ионной имплантации и создание рельефа на излучающей поверхности. Для различных вариантов исполнения ЛСВР были рассчитаны коэффициенты усиления активных областей, которые являются пороговыми для возбуждения фундаментальной моды LP01 и первой моды высшего порядка LP11. Один из ключевых результатов расчетов представлен на рис.3.

Рис.3 Рассчитанная зависимость разницы пороговых коэффициентов усиления поперечных мод LP01 и LP11 от глубины рельефа излучающей поверхности для Rrelief = 2.5 мкм и Roxide = 2.5 мкм. Указано значение той же величины при использовании ионной изоляции с Rimplant = 2.5 мкм.

Из представленных результатов расчетов следует, что рельеф излучающий поверхности позволяет реализовать меньшую разницу между пороговыми коэффициентами усиления поперечных мод, чем ионная имплантация. Следовательно, при неглубоком травлении рельеф поверхности обеспечивает менее эффективную селекцию поперечных мод. Выбор достаточно большой глубины травления позволяет приблизить эффективность селекции мод за счет рельефа поверхности к результатам, полученным с применением ионной изоляции. Однако для достижения сопоставимой эффективности мод необходимо полностью вытравить не менее 5-6 пар слоев верхнего зеркала, и полная глубина травления составит несколько сотен нанометров.

Помимо глубины травления было исследовано влияние другого параметра рельефа поверхности и ионной изоляции – их поперечных размеров. Оптимальное соотношение поперечных размеров обсуждаемых конструкций и активных слоев одинаково, т.к. одинаков и сам принцип селекции. В области значений радиусов оксидных апертур до 20 мкм это соотношение с хорошей точностью составляет 1:2. В общем случае, зависимость оптимального радиуса ионной изоляции (или рельефа поверхности) от радиуса оксидной апертуры, определяющего размеры активной области, нелинейна.

Глава IV посвящена использованию созданной математической модели для исследования структуры продольных мод ЛСВР. Проведены расчеты модовой структуры лазера в зависимости от двух его основных параметров – величины связи между резонаторами и соотношения их оптических длин. Получены распределения интенсивности продольных мод для различных вариантов конструкции лазера. Даны оценки предельных спектральных интервалов между продольными модами. В частности, на рис. 4 представлены рассчитанные спектральные интервалы между продольными модами для различных конфигураций ЛСВР.

Рис.4: Зависимость спектрального интервала между модами от коэффициента пропускания Т среднего РБО и расстройки L между резонаторами.

Спектральный интервал между продольными модами может варьироваться в пределах 0.08 – 60 нм в зависимости от коэффициента связи между резонаторами и соотношения их оптических длин. Указанные пределы определяются сверху - конечной полосой отражения брэгговских зеркал, снизу - тепловыми эффектами в активной среде и точностью изготовления прибора.

Решена задача определения пороговых токов продольных мод ЛСВР. В отличие от традиционных лазеров, в рассматриваемом случае необходимо исследовать не одиночные значения пороговых токов, а кривые, представляющие собой набор пар значений токов накачки. С использованием полной динамической модели ЛСВР был рассчитан характер изменения спектральной структуры ЛСВР в зависимости от токов накачки, а также проведено сравнение полученных результатов с опубликованными в литературе экспериментальными данными. Кривые пороговых токов для двух продольных мод ЛСВР, как теоретические, так и экспериментальные, представлены на рис. 5. Границы областей генерации ЛСВР были получены путем расчета переходных процессов для соответствующих пар токов накачки. После этого были применены методы аппроксимации кривых пороговых токов полиномами степеней, обеспечивающих наименьшее отклонение от найденных пар пороговых токов.

Рис.5: Кривые пороговых токов в ЛСВР 1. Символами L и S обозначены области генерации продольных мод с большей и меньшей длинами волн соответственно.

В расчетах, как и в экспериментах, наблюдалась одномодовая по поперечным модам генерация мод LP01 в обоих резонаторах, что объясняется небольшим диаметром изолирующих апертур. Следовательно, спектр излучения лазера содержит две моды, и существует возможность раздельного управления ими путем изменения токов накачки связанных резонаторов.

Приведенный на рис. 5 график может быть использован для определения рабочих областей генерации ЛСВР. Так, двухчастотная генерация начинается в эксперименте при значениях токов накачки нижнего и верхнего резонаторов Экспериментальные данные взяты из работы “Rate-Equation Model for Coupled-Cavity SurfaceEmitting Lasers”, Vlad Badilita, Jean-Francois Carlin, Marc Ilegems and Krassimir Panajotov, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 40, NO. 12, DECEMBER 2004.

соответственно Ibot = 0.32мА, Itop=0.60мА, а в теории Ibot=0.42мА, Itop= 0.75мА соответственно. Эту точку можно назвать порогом двухчастотной генерации исследуемого лазера, аналогичным порогу генерации традиционного лазера. Для возбуждения одновременной генерации двух мод принципиально необходимо накачивать обе активные области, либо обеспечить режим оптической накачки второго резонатора излучением первого.

Вид графика на рис.5 является общим для ЛСВР различных конструкций, что подтверждается экспериментами, проведенными разными научными группами с разными устройствами.

Также в данной главе рассмотрены основные особенности поведения ваттамперных характеристик ЛСВР, особенности вывода излучения из ЛСВР. Путем сравнения результатов расчетов с опубликованными экспериментальными данными проверена точность предложенной математической модели.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. На основе модернизированного метода эффективной частоты решения волнового уравнения впервые предложена и реализована самосогласованная динамическая математическая модель инжекционного лазера со связанными вертикальными резонаторами. Модель учитывает динамическое изменение профилей мод в процессе генерации, диффузию и пространственное выжигание носителей в активных слоях, зависимость показателя преломления активной области от концентрации носителей. Модель реализована без упрощающих предположений об аксиальной симметрии исследуемых устройств.

2. С использованием реализованной модели установлено, что в ЛСВР возможно существование двух продольных мод, спектральный интервал между которыми может варьироваться в пределах 0.08 - 60 нм в зависимости от коэффициента связи между резонаторами и соотношения их оптических длин. Указанные пределы определяются сверху - конечной полосой отражения брэгговских зеркал, снизу - тепловыми эффектами в активной среде и точностью изготовления прибора.

3. Рассчитаны длины волн мод и распределения их интенсивности для ЛСВР, имеющих значения коэффициента пропускания (связи) между резонаторами в пределах до 80%, расстройку оптических длин резонаторов до 15% и работающих в диапазоне длины волны излучения 1 мкм.

4. Найдены области существования одночастотной и двухчастотной генерации, согласующиеся с экспериментальными данным. Показано, что возможен срыв генерации одной из мод при увеличении тока накачки резонатора, в котором локализована другая мода.

5. Показано, что ионная имплантация является более эффективной технологией подавления поперечных мод, чем создание рельефа на излучающей поверхности ЛСВР. Установлено, что сопоставимая эффективность подавления мод для этих двух конструкций может быть достигнута лишь при глубоком (порядка нескольких сотен нанометров.) травлении верхнего брэгговского зеркала с целью формирования на нем рельефа.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»