В.П. Дураев, С.А. Васильев, О.И. Медведков, Е.Т. Неделин - Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры с волоконно-брегговской решеткой

Аннотация

Дураев, С.А. Васильев, О.И. Медведков, Е.Т. Неделин Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры с волоконно-брегговской решеткой

Представлены результаты работ по созданию перестраиваемых диодных лазеров в диапазоне длин волн 1250-1650 нм. Приведены конструкции и их основные характеристики в диапазоне температур от 5 до +80 градусов.

Одним из преимуществ полупроводниковых лазеров является возможность перестраивать их длину волны излучения.

Всякое изменение концентрации неравновесных носителей заряда, инжектируемых в активную область лазерного диода, приводит к изменению эффективного показателя преломления среды, а соответственно, к изменению длины волны излучения лазерного диода. С целью перестройки длины волны излучения, в начальном этапе работ, для спектроскопии высокого разрешения использовались лазерные диоды с коротким резонатором (100…200 мкм ). Спектр излучения лазеров с коротким резонатором, чаще всего, имеет одну продольную моду и легко перестраиваются с помощью температуры и тока накачки в пределах 20-30 нм. Эти лазеры имеют малую мощность и большое омическое и тепловое сопротивление, а соответственно малый ресурс работы.

Более широкое распространение получили лазеры с распределенной обратной связью (РОС). Данный класс лазеров имеет более стабильный одночастотный режим работы и достаточно большую оптическую мощность излучения в широком интервале температур [1].

Для перестройки длины волны излучения в широко диапазоне, чаще всего применяются лазеры с внешним резонатором. В качестве внешнего резонатора используется дифракционная решетка.

На рис.1 показана конструкция перестраиваемого лазерного диода с помощью диффракционной решетки в одномодовом световоде. Основными элементами конструкции являются: лазер (чип) с отражающими покрытиями на задней грани резонатора и с просветляющими покрытиями на передней грани, диффракционная решетка записана в сердцевине одномодового световода[2].

Рисунок 1 - Принципиальная схема ЛД с волоконно - брэгговской решеткой

Перестройка длины волны происходит согласно формулы Брэгга:

где - период решётки; - длина волны лазера; - эффективный показатель преломления; m - порядок волновой моды.

В работе использовались лазеры на основе InGaAsP-InP гетероструктур рис.2 с квантово-размерными слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии[3].

Рисунок 2 - InGaAsP-InP гетероструктура

Конструкция активного элемента лазерного диода типа заращенная меза показана на рис.3. Более распространенная в настоящее время конструкция ЛД с недотравленной активной областью и с изоляцией ZnSe показано на рис.4.

Требуемый одночастотный режим работы на заданную длину волны 1250-1650нм обеспечивался составом активной области ЛД и созданием дискретных брэгговских решеток в световоде соответствующего периода. Перестройка длины волны составлял 0,15-0,2 нм в пределах селективности спектральной ширины брэгговской решетки [3].

Ватт-амперные характеристики ЛД на длине волны 1651нм в интервале температур от 5 до +80 градусов показаны на рис.5.

Типичная одночастотная спектральная характеристика ЛД после стыковки ВБР на длину волны 1651нм (линия поглощения метана) представлены на рис.6.

Конструкция лазерного модуля с ВБР состоит из металло-стеклянного корпуса типа 14-pin DIL или «баттерфляй», лазерного диода, фотодиода обратной связи, элемента Пельтье, терморезистора и световода с волоконно-брэгговской решеткой.

Общий вид конструкции одночастотного лазерного модуля типа 14-pin DIL или «баттерфляй» показано на рис.7

Рисунок 3 – Конструкция ЛД - заращенная меза.

Рисунок 4 – Конструкция ЛД с изоляцией ZnSe

Рисунок 5 - Ватт-амперная характеристика ЛД

Рисунок 6 - Спектр генерации одночастотного ЛД с ВБР

Рисунок 7 - Конструкции лазерных модулей.

Таким образом, в работе изложены основные характеристики перестраиваемых одночастотных лазеров с волоконно - брэгговской решеткой в диапазоне длин волн 1250-1659 нм и представлены их конструкции. Показано, что заданная длина волны обеспечивается составом твердого раствора InGaAsP активной области лазерного диода и периодом волоконно - брэгговской решетки.

Литература

1. P.V.Duraev, A.V. Melnikov, Spectrochemica Acta Part. A 52 (1996) 877-879.
2. Дураев В.П., Неделин Е.Т., и др. Квантовая Электроника, 31, №6, с.529-530 2001.
3. V. Mikhailov, P. Bayvel, R. Wyatt and I. Lealman, Electronics Letters, 2001, Vol.37, No14V. Mikhailov, P. Bayvel, R. Wyatt and I. Lealman, Electronics Letters, 2001, Vol.37, No14