Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Использование в качестве лазера в ОАГ наноструктурного квантоворазмерного лазерного диода КЛД приводит к качественно новым свойствам оптоэлектронного генератора. За счет «квантования зон в переходе», как показано в главе 3, изменяется качество оптического излучения: более чем в 100 раз снижается уровень шумовой спонтанной эмиссии, из-за чего существенно снижаются фазовые и амплитудные шумы лазера, уменьшается ширина линии оптического излучения с нескольких ГГц до нескольких кГц. Кроме того, сужается диаграмма направленности излучения, и улучшаются поляризационные характеристики.

В таблице №1.1 и на рис. 1.10 указаны экспериментальные данные характеристик основных современных оптических резонаторов [63,161 ].Как показано в таблице №1.1, наибольшей добротностью обладают дисковые резонаторы Q =8*10 9 SiO 2 Q =8*10 15 CaF 2. К их недостаткам относятся малый коэффициент ввода при стандартных условиях (менее 5% оптической мощности) и низкий порог оптической мощности, при которой начинают проявляться оптические нелинейные эффекты и большая температурная зависимость характеристик резонатора.

Наибольшей привлекательностью в лазерных системах получили резонаторы на оптических распределенных решетках Брега (FBR), для которых получено значения добротности Q =1,2*10 7. При использовании в системе фазовой подстройки оптической частоты лазера в качестве оптического дискриминатора ячейки Брега (при шаге решетки 100 нм) и при длине ячейки дискриминатора 34мм, реализована узкополосное излучение КЛД с полушириной резонансного пика 15МГц.

Таблица 1.1. Добротности и размеры различных оптических резонаторов, применяемые в лазерах и лазерных системах.

Q-добротность оптического резонатора (произведение оптической частоты на постоянную времени).

Рис.1.14. Виды оптических резонаторов и замедляющих оптических структур, применяемых в лазерах и волоконно-оптических системах.

Рис.1.15. Этапы технологического цикла создания квантоворазмерного лазерного диода КЛД с применением высокодобротных оптических дискриминаторов и резонаторов. Создание на подложке дифракционной решетки (а), получение оптического дискриминатора (резонатора) (b), сопряжение лазера и резонатора (c), готовый лазер (d).

Рис.1.16. Увеличенные изображения первичной «маски» на подложке (а) и после технологического цикла сухого осаждения дифракционной решетки оптического резонатора дискриминатора (б) с полупериодом решетки 100 нм. Изображение увеличено с помощью электронного микроскопа [125].

Рис.1.17. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

Рис.1.18. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Показана расчетная зависимость (на основе измерения фазового шума КЛД (рис. 1.17) относительной мощности излучения от отстройки от центральной частоты спектра КЛД квантоворазмерного лазерного диода без и с дискриминатором. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

Данное (какое?) обстоятельство накладывает ограничения при использовании высокодобротных оптических резонаторов для реализации сверхминиатюрных устройств. Так как при малых размерах такого резонатора (радиус диска 1 мм и площадь поперечного сечения световедущего слоя 10 2 кв. мкм) и относительно высокой добротности порядка Q=10 7 (эквивалентная длина 2 м), нелинейные эффекты начинают проявляться при вводимой мощности порядка несколько микроватт.

Поэтому к перспективным методам создания миниатюрного резонатора относится поиск решений по микроминиатюризации линейной волоконно-оптической линии задержки. Например, при длине ОВ в несколько км при длине волны 1,55 мкм пороговая мощность составляет примерно 100—200 мВт.