Монохроматизация полупроводниковых лазерных диодов на основе применения одномерных фотонных кристаллов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.417.2

МОНОХРОМАТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

Е. А. Вощинский, B.C. Горелик

Представлены результаты по созданию одночастотно-го полупроводникового лазера с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки (одномерного фотонного кристалла), сформированной в одномодовом волоконном световоде. Получена стабильная одночастот-ная генерация на длине волны 977 нм с полушириной спектра 0.2 нм. При этом, достигнута, выходная мощность полупроводникового лазера, 350 мВт. Исследована температурная, зависимость параметров генерации.

Ключевые слова: фотонный кристалл, волоконная брэгговская ретпетка. лазер, резонатор.

Одномерные фотонные кристаллы материалы, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном из пространственных направлений. Период такого изменения обычно сравним с длиной волны видимого излучения. Одномерные фотонные кристаллы также называют распределёнными брэгговскими отражателями (РБО).

РБО характеризуется узкой полосой отражения. Это обуславливает широкое применение таких отражателей в оптической технике (фильтры, встроенные в оптические волокна отражатели [2]. сенсоры [3, 4] и т. д.) и использование РБО в качестве зеркал резонатора полупроводниковых лазеров [5, 6]. При этом коэффициент отражения превышает коэффициент отражения зеркал, полученных путём скола торцов полупроводникового лазера. Ранее в лазерах с РБО был реализован одночастотньтй режим работы и получена высокая выходная мощность в широком диапазоне температур [7]. Цель данной работы состояла в исследовании возможности повышения монохроматичности полупроводникового лазерного диода с волоконным выходом за счет введения в состав его резонатора волоконной брэгговской решетки.

ФИАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: evotshinsky@mail.ru.

Рис. 1: Полупроводниковый лазерный диод РЬБ-970 с волоконным выходом в корпусе "ВиЫефу"; (а) фотография модуля; (Ъ) общий вид устройства: 1 - полупроводниковая гетероструктура, 2 - элемент Пельтье, 3 - измеритель температуры, 4 ~ одномо-довое волокно, 5 - подложка.

Методика эксперимента. Объектом исследований являлся лазерный диод РЬБ-970 (см. рис. 1(а)), расчетная длина волны генерации которого при комнатной температуре составляет 970 им. Такие диоды применяются для накачки волоконных эрбиевых усилителей в телекоммуникациях.

В корпусе диода присутствовали несколько элементов: лазерный диод 1, модуль Пельтье 2 и термистор 3 (рис. 1(Ь)). Элемент Пельтье был необходим для регулировки и стабилизации температуры полупроводниковой гетероструктуры.

Рис. 2: Схема измерений: 1 - лазерный диод, 2 - волоконная брэгговская решетка, 3 -волоконный ответвитель 1%, 4 ~ фотоприемник, 5 - аттенюатор мощности, 6 -оптический спектроанализатор.

Для исследования характеристик диода были созданы печатная плата с микроконтроллером и волоконный блок для укладки оптической волоконной части измерительного стенда. Микроконтроллер использовался для управления параметрами диода и измерения мощности на фотоприемнике. Схема измерений показана на рис. 2.

К выходному волокну лазерного диода 1 на расстоянии около метра, приваривалась волоконная брэгговская решетка (ВБР) 2. Излучение с лазерного диода делилось волоконным ответвителем 3. При этом 1%, мощности излучения полупроводникового лазерного диода подавался на фотодиод 4. а остальной сигнал через перестраиваемый аттенюатор 5 заводился на оптический спектроанализатор 6 для снятия спектральных характеристик. Аттенюатор был необходим для снижения мощности излучения (~100 мВт) до 10 мВт, так как максимально возможная входная мощность в спектроанализатор Anritsu MS9710C не более 20 мВт. Разрешение спектроанализатора составляло 0.05 нм.

Данные с фотоприемника обрабатывались микроконтроллером. Для снятия ватт-амперной характеристики лазерного диода была создана программа, в соответствии с которой микроконтроллер увеличивал ток лазерного диода с заданным шагом и измерял оптическую мощность, приходящую на фотодиод. Обработанные данные выводились в виде графика на монитор и сохранялись в цифровом виде.

Экспериментальные результаты. Регулировка температуры гетероструктурьт позволяла изменять положение максимума интенсивности люминесценции полупроводникового диода. При увеличении температуры максимум люминесценции сдвигался в сторону больших длин волн. Мы зафиксировали температуру на уровне 40 °С, чтобы максимум интенсивности люминесценции был ближе к пику поглощения Ег3+ в области 980 нм.

На рис. 3 представлены спектры лазерного диода, полученные при нескольких значениях тока, протекающего через диод. Как видно из этого рисунка, в спектре излучения диода наблюдалось несколько полос. Такой эффект возникал вследствие наличия "положительной" обратной связи при отражении излучения на сварках волокна и оптических разъемах. Максимумы интенсивности находились в области 975 977 нм. С ростом тока через диод общая ширина спектра возрастала, а положение максимумов незначительно изменялось. Использование диода с изменяющимся спектром излучения для накачки эрбиевого усилителя является неэффективным, вследствие довольно узкого пика поглощения ионов эрбия в кварцевом световоде и достаточно сильной зависимости спектра усиления от длины волны накачки. Для реализации одномодового режима работы

Он

-10-

£ "20" а

о

-4 -40-

-50-

—60Н—1—'—1—«—I—«—1—«—1—I—1—«—«—«—I—«—«—1—«—I—«—1—«—1—I

965 970 975 980 985 990 X, гни

Рис. 3: Спектральные характеристики диода РЬБ-970 в зависимости от тока через лазерный диод: 1 - 200 мА, 2 - 500 мА, 3 - 800 мА, 4 - 1100 мА.

-10

£ "20 а

-50

-60 .........................

965 970 975 980 985 990 \ от

Рис. 4: Спектральные характеристики диода РЬБ-970 с внешней брэгговской решет-

200 500

800 мА, 4 - 1100 мА.

лазерного диода было необходимо монохроматизовать и застабилизировать излучение лазерного диода. Для решения такой задачи в состав лазерного резонатора был введен спектральный селектор - одномерный фотонный кристалл (ВБР). В качестве ВБР нами была использована решетка с параметрами: Ас = 976.8 им, ДА = 0.67 им, Т = —0.53 с1В. Здесь Ас - центральная длина волны, ДА - спектральная ширина спектра отражения

Т

На рис. 4 представлены спектральные характеристики диода с ВБР при различных значениях тока. Как видно из этого рисунка, при использовании ВБР наблюдается резкое сужение спектра генерации, излучение диода сосредоточено в одном пике с полушириной 0.2 нм. Отметим, что точное измерение ширины линии возможно только прибором с высоким разрешением. Разрешение нашего спектроанализатора составляло 0.05 нм, что позволяло измерять спектральные линии с полушириной не менее 0.10.2 нм. Поэтому ширина линии лазера измерялась на более низком уровне -20 дБ.

В таблице 1 приведены параметры линии генерации: спектральное положение пика Ас и ширина линии АЛ по уровню -20 дБ при различных токах через лазерный диод. С ростом тока накачки линия уширяется от 0.5 до 0.8 нм и сдвигается на 0.2 нм в сторону больших длин волн.

Таблица 1

Спектральное положение Ас и ширина линии генерации АЛ при различных токах через полупроводниковый диод

Ток через диод, мА Ас АЛ то уровню —20 дБ, нм

200 976.78 0.5

500 976.88 0.66

800 976.92 0.74

1100 976.94 0.78

500

400 £ 300

^ 200 100

00 200 400 ' 600 800 1000 1200 1400 /, шА

Рис. 5: Ватт-амперная характеристика диода (1) и диода с брэгговской решеткой (2).

На рис. 5 приведены ватт-амперные характеристики диода в начальном состоянии и диода с брэгговской решеткой. Из графиков видно, что порог лазерной генерации с брэгговской решеткой равен 70 мА, а без неё - около 110 мА. При использовании ВБР изменился наклон ватт-амперной характеристики: она стала более пологой. Судя по ватт-амперной характеристике, линейный режим работы лазерного диода с решеткой соответствует диапазону 70-800 мА. При любых токах через диод в эксперименте наблюдалась только одна линия генерации, соответствующая установленной брэгговской решетке.

500 п

400

. 300 S

^ 200 100

°0 200 400 600 800 1000 1200 1400 /, шА

Рис. 6: Ватт-амперная характеристика диода с брэгговской решеткой для температур: 1 - при 20 °С,2- при 30 °С,3- при 40 °С.

На рис. 6 представлены три ватт-амперные характеристики для диода с брэгговской решеткой при температурах гетероструктуры 20, 30 и 40 °С. Из графиков видно, что

с ростом температуры мощность диода снижается. Разница по мощности при темпера°°

мощности необходимы низкие температуры.

Па рис. 7 приведены спектральные характеристики диода накачки при фиксированном токе I = 400 мА и различных температурах. Из графиков видно, что наилуч-

°

°

°

гетероструктура оптимально подходит для генерации на длине волны 970 нм, что соответствует названию диода PLD-970. Для монохроматизации лазера на этой длине

-10-

-20-

а

9 -зо-

-40-

-50-

-60

980 985 990

965 970 975

X, от

Рис. 7: Спектральные характеристики диода РЬБ-970 с внешней решеткой в зависимости от температуры структуры: 1 - при 20 0 С, 2 - при 30 0 С, 3 - при 40 0 С.

волны необходимо использовать брэгговскую решетку с максимумом отражения в области 970 нм.

Теоретическое обоснование. Условие Брэгга первого порядка для волоконной брэг-говской синусоидальной решетки имеет вид [8]:

Здесь Л - период решетки, Ав - брэгговская длина волны решетки, а пе^ - эффективный показатель преломления сердцевины волокна. В нашем случае: Ав = 976.8 нм и пе^ = 1.544, тогда Л = 316 нм.

ВБР связывает основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Для однородной решетки длины Ь коэффициент отражения Я на резонансной длине волны Ав выражается как [9]:

Здесь к = п Аптс^ п/Ав ~ коэффициент с вязи, Аптс^ - амплитуда синусоидальной модуляции показателя преломления, п ~ часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода.

Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте может быть выражена следующим приближенным соотношением [9]:

Ав = 2пей Л.

(1)

Я = Л2 (кЬ).

(2)

(3)

Здесь а - параметр порядка единицы для глубоких решеток с коэффициентом отражения Я ~ 1 и около 0.5 для решеток небольшой глубины. Как видно из (4), спектральная ширина зависит не только от длины решетки и ее периода, но также и от амплитуды модуляции показателя преломления Аптоа- Для однородной ВБР длиной Ь = 5 мм и амплитудой модуляции наведенного показателя преломления Аптоа = 5 • 10_5 спектральная ширина составляет 0.2 нм.

Резонансная длина волны брэгговских решеток Ав зависит от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений. Эта зависимость описывается следующим уравнением [9]:

ААв

2пА

п

1 - ( у ) • [Р12 - V(Ри + Р12)]

£ +

1 ¿п п ¿Т

АТ .

(4)

Здесь АТ - изменение температуры, £ - приложенное механическое напряжение, Р^ -коэффициенты Поккельса упругооптического тензора, V - коэффициент Пуассона, а -

п

преломления основной моды. Это соотношение дает типичные значения сдвига Ав в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~103 х АЬ/Ь.

Заключение. Таким образом, в работе развита методика монохроматизации лазерного диода РЬБ-970 с помощью одномерного фотонного кристалла в виде ВБР, позволяющая сузить линию генерации до 0.2 нм. К выходному волокну лазерного диода приваривалась полупрозрачная ВБР, что позволило получить стабильную одномодовую генерацию на длине волны, соответствующей максимуму отражения решетки (977 нм). Применение ВБР в качестве зеркала резонатора в десятки раз сужает линию генерации и позволяет избавиться от второстепенных пиков генерации. При этом все излучение полупроводникового лазерного диода сосредоточено в одной линии генерации. Потери мощности из-за ВБР составляют 10%.

Обнаружено, что ватт-амперная характеристика лазерного диода с решеткой линейна до тока 800 мА. При этом выходная мощность излучения достигает 300 мВт. Установлено, что для генерации на длине волны 977 нм оптимальная температура ге-тероструктуры составляет 40 0С. При температуре 20 0С можно получить более мощный диод (выигрыш до 50 мВт), при этом необходимо использовать брэгговскую решетку с максимумом отражения в области 970 нм.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (гос. Контракт

№ 16.513.11.3116), а также РФФИ (гранты № 10-02-00293, 10-02-90042, 10-02-90404, 11-02-00164 и 11-02-12092).

ЛИТЕРАТУРА

[1] В. П. Дураев, Фотоника 3, 24 (2007).

[2] Н. J. Lee, Appl. Opt. 27(6), 1199 (1988).

[3] G. J. Veldhuis, J. H. Berends, R. G. Heidemaii, and P. V. Lambeck, Pure Appl. Opt. № 7, 23 (1998).

[4] D. R. Hjelme, L. Bjerkau, S. Xeegard, J. S. Rambech, and J. V. Aarsues, Appl. Opt. 36(1), 328 (1997).

[5] О. E. Наний, Lightwave Russian Edition, Xo. 2, 48 (2003).

[6] Y. Tohmori, Y. Yoshikuni, H. Ishii, F. Ivano, et al., IEEE Quantum Electronics 39(10), 1314 (2003).

[7] В. П. Дураев, E. Т. Неделин, Т. П. Недобьтвайло и г: Квантовая электроника 31(6), 529 (2001).

[8] А. Ярив, П. К)х, Оптические волны в кристаллах (Мир, Москва, 1987).

[9] Н. В. Никоноров, А. И. Сидоров, Материалы и технологии волоконной оптики (ИТМО, Санкт-Петербург, 2009).

Поступила в редакцию 20 марта 2012 г.