ЛАЗЕРЫ С ПЕРИОДИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Для создания положительной обратной связи в лазерах с периодической модуляцией оптических характеристик необходимо, чтобы волна, рассеиваясь на периодических неоднородностях, меняла направление распространения на обратное. Возникают две связанные волны одинаковой частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях. Этот эффект реализуется, если какой–то оптический параметр среды промодулирован в направлении распространения волны по периодическому закону с периодом L, удовлетворяющим условию Брэгга

, (25)

где m – порядок брэгговского отражения.

Такой брэгговский резонатор в отличие от резонатора Фабри – Перо характеризуется только одним резонансом в полосе усиления. Это и обусловливает высокую его спектральную избирательность. В дополнение к этому в брэгговском резонаторе достаточно просто осуществляется вывод излучения в плоскости, перпендикулярной распространению его в волноводе. В ряде случаев это существенно упрощает конструкцию излучателя.

К излучателям с периодической модуляцией оптических характеристик относятся лазеры с распределенной обратной связью (РОС – лазеры) и с распределенными брэгговскими отражателями (РБО – лазеры). В РБО – лазерах модулированные участки размещаются вне активной области (рис. 9, а). В РОС – лазерах модуляция среды осуществляется непосредственно в активной области или в близко расположенном от нее слое (рис. 9, б).

Лазерные структуры с периодической модуляцией оптических характеристик различаются порядком дифракции, равным целому числу полуволн лазерного излучения, укладывающихся на периоде неоднородности. Распределенные отражатели имеют вид диэлектрических волноводов с гофрированной поверхностью. Периодической неоднородностью служит изменение толщины волновода. Так как константа распространения зависит от толщины волновода, изменение последней эквивалентно изменению его показателя преломления. Связь активной (генераторной) и пассивной (волноводной) компонент, образующих резонатор лазера, осуществляется через переходную область связи, параметром которой является коэффициент связи С₀. Излучение выводится через внешний волновод. Необходимое условие высокой дифференциальной квантовой эффективности в РБО – лазерах – малые потери в РБО – областях и одновременно высокоэффективная связь между внешним и внутренним волноводами. В РОС – лазерах качество связи с внешним волноводом для процесса генерации не столь существенно, но оно определяет эффективность ввода излучения в элементы интегрально–оптической схемы.

Рис. 9. Лазеры с периодической структурой обратной связи: а – РБО – лазеры; б – РОС – лазеры; 1 – активный волновод; б – область связи волновода; 3 – пассивный волновод.

В интегральных лазерах применяют, как правило, пять типов связи: туннельную, через сужающийся край, в стык, за счет исчезающих полей и типа встроенного торцевого волновода.

Первая реализована в структуре с двойным интегральным волноводом, в которой активный и пассивный волноводы связаны по принципу направленного ответвителя. Это определяет равенство фазовых скоростей мод в обоих волноводах. Часть генерируемой в активной области световой мощности туннелируют из активного волновода в пассивный через разделяющий их слой с меньшим показателем преломления. Эффективность связи ограничивается отклонением от условий точного фазового согласования и потерями на поглощение в волноводе. Требование согласования постоянных распространения мод в волноводах накладывает ограничения на формат и состав эпитаксиальных слоев структуры. Это усложняет процесс ее изготовления.

Второй тип структур осуществляет связь за счет суживающегося края волновода. Эффективность такого типа связи при минимизации потерь в области сужения может приближаться к 100 %. Недостаток такой связи – необходимость тщательного контроля условий роста структуры или выращивание ее в двух стадиях с промежуточным травлением для минимизации потерь в области сужения.

Непосредственная связь встык (третий тип), если не принимать специальных мер, малоэффективна, однако ввиду простоты реализации широко применяется в устройствах интегральной оптики. В лазерах с большим оптическим резонатором активная область непосредственно примыкает к пассивному волноводу. Связь волноводов осуществляется здесь за счет исчезающих полей («хвостов мод»). Если скачок показателя преломления между активной областью в волноводном слое мал, а сама активная область достаточно тонка, поле не удерживается в ней и распространяется в волноводе, образованном активной и пассивной областями. Без применения специальных мер по точной подгонке внешнего волновода эффективность этой связи невелика.

Значительное увеличение эффективности связи и всей структуры в целом обеспечивает встроенный торцевой внешний волновод. Такая структура представляет собой оптимизированный вариант связи встык. Улучшенные характеристики стыковки достигают за счет согласования эффективных показателей преломления и профилей полей в обоих волноводах. Влияние степени рассогласования на эффективность связи в такой структуре минимизировано. Максимальная эффективность может достигать 98 %. В этом случае при изменении толщины внешнего волновода от 0,41 до 0,61 мкм эффективность связи снижается только на 5 %.

В одномодовых лазерах с резонатором Фабри – Перо при изменении температуры всего на несколько градусов длина волны лазерной генерации скачкообразно меняется. Величина скачка равна межмодовому интервалу (1–1,5 нм). Лазеры с периодической модуляцией характеризуются более слабой температурной зависимостью длины волны излучения: излучение лазера с плоским резонатором следит за температурной зависимостью ширины запрещенной зоны, а в структурах с периодической модуляцией – за более слабой температурной зависимостью показателя преломления. При изменении температуры в РБО – лазерах генерируемая мода скачком смещается на другую, а в РОС излучающая мода остается той же.

Из решения дисперсионного уравнения для волн, удовлетворяющих условию дифракции, следует, что лазерные моды РОС– лазеров возникают на шкале частот симметрично относительно брэгговской частоты с интервалом , т. е. . В отличие от РОС–лазеров в структурах с РБО резонанс отражения приходится именно на брэгговскую частоту и не подвержен расщеплению. В общем случае предполагается, что РБО – лазеры по сравнению с РОС позволяют при одинаковых свойствах активной среды получить более низкий порог генерации и более узкую спектральную ширину излучения.

Решеточные структуры (гофры) изготовляются избирательным травлением или травлением ионным пучком через маски фоторезиста на подложках с различной ориентацией с помощью тех же методов, что и решеточные элементы связи.

Периодическое возмущение непосредственно в активной области РОС– лазера сопровождается, как правило, структурными дефектами, ухудшающими его люминесцентные свойства. Безызлучательная рекомбинация инжектированных носителей на гофрированной границе активной области значительно повышает пороговые токи и практически исключает их минимизацию. Этот недостаток преодолевается в структурах с активной областью, удаленной от гофрированного слоя на некоторое расстояние. На практике это достигается введением дополнительного разделительного слоя. Для сохранения эффективного взаимодействия световой волны с решеткой толщина такого слоя не должна превышать микрометра. Необходимость создания решеток с очень точно выдержанными параметрами гофра в такой многослойной структуре усложняет технологию РОС – и РБО – лазеров.

Вместе с тем для интегральной оптики во многих случаях можно использовать дискретные инжекционные лазеры в гибридной технологии интегрально–оптических схем, которая сегодня пока является наиболее распространенной.

2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ
ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН