Инжекционные лазеры с гибридным резонатором на волоконной брэгговской решетке

Развитие инжекционных полупроводниковых лазеров на протяжении последних 30 лет тесно переплетается с развитием волоконной оптики. Перспективы, открываемые волоконно-оптической связью [1], послужили стимулом для бурного роста числа исследований и практических разработок полупроводниковых лазеров как источников излучения для волоконно-оптических применений. За это время было решено множество проблем, таких как эффективная стыковка активной области лазера с волоконно-оптическим трактом, создание инжекционных лазеров на длины волн около 1,3 и 1,55 мкм, попадающих в области прозрачности волоконных световодов, достижение минимальных потерь в кварцевых волокнах, высокочастотная модуляция выходного излучения лазера током накачки и т. д.

Одной из важнейших задач для многих практических и научных применений инжекционных лазеров является проблема получения одночастотного режима генерации и возможность управления этим режимом. Именно одночастотный режим является необходимым условием для таких применений, как интерференционные датчики различных физических величин, системы оптической связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектроскопия молекул и т. д.

Существует несколько методов обеспечения одночастотной генерации в инжекционных лазерах [2, 3, 4]. Среди них следует особо выделить метод, основанный на использовании в качестве зеркала во внешнем резонаторе брэгговской решетки показателя преломления, записанной в одномодовом волоконном световоде. При простоте реализации по сравнению с другими методами, в таком подходе сочетаются преимущества инжекционных лазеров и волоконных брэгговских решеток, а именно: • компактные размеры.

• простота модуляции током накачки.

• высокая спектральная селективность.

• естественное сопряжение с волоконно-оптическими технологиями.

Лазерные диоды с волоконной брэгговской решеткой (ЛД с ВБР) во внешнем резонаторе изучаются с середины 80-х годов [5, 6, 7, 8] и получили в литературе название гибридных лазеров. К настоящему времени известно, что в таких лазерах можно получить одночастотный режим с узкой кГц [4, 19]) линией генерации. Продемонстрировано стабилизирующее влияние волоконной решетки на длину волны генерации лазера. В последние годы проводятся интенсивные исследования ЛД с ВБР ввиду перспективы их применения в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов. При этом решаются задачи генерации солитонных импульсов с высокой частотой следования, а также задачи удержания длины волны генерации в жестко заданных спектральных интервалах (ДА=4А), отведенных под каналы передачи данных в В\ПЗМ-системах связи.

В то же время, остаются малоизученными некоторые вопросы, представляющие интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Необходимо отметить, что на сегодняшний день не проводилось целенаправленных исследований лазеров данной конструкции на предмет получения одночастотного режима генерации, непрерывно перестраиваемого током накачки в достаточно широком (более 30 ГГц) частотном диапазоне. Вопросы, связанные с перестройкой частоты генерации в течение импульса накачки (чирп частоты) если и обсуждаются, то только как нежелательный эффект, который должен быть сведен к минимуму. Между тем, создание ЛД с ВБР, непрерывно перестраиваемых более чем на 30 ГГц, позволило бы говорить о существенном расширении области их применения, поскольку дает возможность применять такие лазеры в молекулярной спектроскопии, датчиковых системах детектирования отдельных газов и т. д.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию перестроечных характеристик и когерентных свойств инжекционных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке. В работе рассматривается вопрос о ширине линии генерации таких лазеров. Изучается перестройка частоты генерации током накачки в режиме с узкой линией генерации. Предложен и впервые реализован новый подход к созданию перестраиваемых ЛД с ВБР для целей диодной лазерной спектроскопии. При этом продемонстрирована возможность применения данных лазеров для регистрации газов имеющих линии поглощения в области прозрачности волоконных световодов (А=0,7-й, 7 мкм).

Содержательная часть диссертационной работы состоит из четырех глав.

В Главе 1 дан обзор литературы по инжекционным лазерам с волоконной решеткой во внешнем резонаторе. Обсуждаются особенности конструкции резонатора ЛД с ВБР и области применения таких лазеров. В этой главе также приводится сравнительный анализ методов получения одночастотного перестраиваемого режима генерации в инжекционных лазерах. Подробно описаны основные идеи по созданию таких лазеров, указаны возможные области применения. Рассмотрены основные теоретические представления о ширине линии генерации и влияющих на нее факторов.

Глава 2 посвящена описанию элементной базы, приборов и экспериментальных установок, использованных при исследовании инжекционных лазеров с просветленной до Я2 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе. Описаны особенности конструкции промышленно изготовленных образцов лазеров, а также приведены характеристики лазерных чипов и брэгговских решеток, которые применялись при разработке и создании новых лазеров, обладающих расширенным диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. В главе также рассмотрены методики исследований когерентных и перестроечных свойств лазеров.

В Главе 3 приведены результаты исследований когерентных свойств и перестроечных характеристик инжекционных лазеров с волоконной брэгговской решеткой, передняя грань которых имела просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения R2<0,005. Обсуждаются условия возникновения одночастотного режима с узкой линией генерации, и проводится сравнение измеренной ширины линии с теоретическими оценками. Представлены результаты исследований зависимостей мощности генерации от температуры при различных токах накачки. Значительное внимание уделено особенностям перестройки частоты генерации током накачки.

В Главе 4 изложены результаты исследований по разработке и созданию одночастотных диодных лазеров с внешним резонатором на волоконной брэгговской решетке, обладающих широким (более 30 ГГц) диапазоном непрерывной перестройки частоты генерации. Представлены результаты экспериментов по регистрации линий поглощения метана и аммиака с помощью ЛД с ВБР созданных на основе предложенного в данной работе подхода.

На защиту выносятся следующие основные результаты: 1. В диодных лазерах с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью и волоконной брэгговской решеткой во внешнем резонаторе, при длинах резонатора ~1см реализуется одночастотный режим с шириной линии генерации Ю-rlOO кГц и диапазоном непрерывной перестройки частоты током накачки 20 — 200 МГц.

2. Мощность генерации гибридных лазеров при постоянном токе накачки имеет периодическую зависимость от температуры Р=Р (Т), и одночастотный режим генерации наблюдается при температурах соответствующих участкам dP/dT< 0 на зависимостях Р (Т).

3. В одночастотном режиме генерации гибридных лазеров с просветленной до R2 < 0,005 передней гранью на зависимостях частоты генерации от тока накачки наблюдается точка возврата частоты, в которой скорость перестройки dv/dJH меняет знак, а значение скорости перестройки частоты в области точки возврата составляет 1-гЮ МГц/мА.

4. Использование волоконных брэгговских решеток с широким спектром отражения (3-f-lO A) и полупроводниковых лазерных чипов с простым резонатором типа Фабри-Перо, передняя грань которого просветлена до остаточного коэффициента отражения R=0,01⁰, 02, позволяет создавать одночастотные лазеры, непрерывно перестраиваемые током накачки в широком диапазоне по частоте (>30 ГГц). Такие лазеры могут быть созданы на любую длину волны, попадающую в область прозрачности волоконных световодов (0,7-й, 7 мкм) и позволяют проводить регистрацию отдельных линий поглощения различных газов.

Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях и докладывались на Научно-практической конференции «Оптические сети связи в России: наука и практика» (апрель 2002 г., г. Москва), на международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (июнь 2003 г., г. С-Петербург), на международной конференции по диодной лазерной спектроскопии «TDLS-2003» (июль 2003 г., г. Зерматт, Швейцария), на общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (октябрь 2003 г. и октябрь 2004 г., г. Москва).

1. Е. М. Дианов, «От тера-эры к пета-эре», Вестник Российской Академии наук, т.20,№ 11, 1010−1015,2000.

2. Р. Лэиг, Ю. Ямаиака, «Внешняя оптическая обратная связь в полупроводниковых лазерах», в кн. Физика полупроводниковых лазеров, под ред. X. Такумы, 137−158, 1989.

3. С. Акиба, К. Утака, «Динамически одночастотные полупроводниковые лазеры», в кн. Физика полупроводниковых лазеров, под ред. X. Такумы, 137−158, 1989.

4. V. Sykes, «External cavity diode lasers for ultra-dense WDM networks», Lightwave, March 2001.

5. E. Brinkmayer, W. Brennecke, M. Zurn, and R. Ulrich, «Fiber Bragg reflector for mode selection and line-narrowing of injection laser», Electron. Lett., vol.22, 134−135, 1986.

6. C.A. Park, С.J. Rowe, J. Buus, D.C.J. Reid, A. Carter, and I. Bennion, «Singlemode behavior of multimode 1,55 |im laser with a fiber grating external cavity», Electron. Lett., vol.22, 1132−1134, 1986.

7. И. А. Авруцкий, В. П. Дураев, Е. Т. Неделин, A.M. Прохоров, А. С. Свахин, В. А. Сычугов, «Одночастотный полупроводниковый лазер с А,=1,3 мкм с волоконным внешним резонатором», Письма в ЖТФ, т. 13, вып. 14, 849 854, 1987.

8. D. Burns, D.W. Crust, J.T.K. Chang, and W. Sibbett, «Active mode-locking of an external cavity GalnAsP laser incorporating a fiber-grating reflector», Electron. Lett., vol.24, 1439−1441, 1988.

9. P.STJ. Russell, R. Ulrich, «Grating-fibre coupler as a high-resolution spectrometer», Opt. Lett., vol. lO, 291−293, 1985.

10. А. С. Свахин, B.A. Сычугов, T.B. Тулайкова, Квантовая электроника, т. 14, № 2, 440−442, 1986.

11. G. Meltz, W.W. Morey, W.H. Glenn, «Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method», Opt. Lett., уol. l4, № 15, 823−825, 1989.

12. J.L. Archambault, S.G. Grubb, «Fiber gratings in lasers and amplifiers», J. of Lightwave Technology, vol.15, № 8, 1378−1390, 1997.

13. M. Ziari, J.-M. Verdiell, J.-L. Archambault, A. Mathur, H. Jeon, R.-C. Yu, T.L. Koch, «High speed fiber grating coupled semiconductor WDM laser», in Proc. Conf. Lasers Electro-Opt. (CLEO'97), Baltimore, MD, 1997, paper CMG1.

14. R.J. Campbell, J.R. Armitage, G. Sherlock, D.L. Williams, R. Payne, M. Robertson, R. Wyatt, «Wavelength stable uncooled fiber grating semiconductor laser for use in an all optical WDM access network», Electron. Lett., vol.32, 119−120, 1996.

15. D.M.Bird, J.R.Armitage, R. Kashyap, R.M.A.Fatah, K.H.Cameron, «Narrow line semiconductor laser using fiber grating», Electron. Lett. Vol.27, 1115, 1991.

16. W.H. Loh, R.I. Laming, M.N. Zervas, M.C. Farries, U. Koren, «Single frequency erbium fiber external cavity semiconductor laser», Appl. Phys. Lett., vol.66, 3422−3424, 1995.

17. М. И. Беловолов, E.M. Дианов, В. П. Дураев, A.B. Гладышев, E.T. Неделин, M.A. Сумароков, «Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на волоконных брэгговских решетках», Препринт ИОФРАН, № 6, 67 стр., 2002.

18. P. Paoletti, М. Meliga, G. Oliveti, М. Puleo, G. Rossi, L. Senepa, «10 Gbit/s ultra low hirp 1,55 im directly modulated hybrid fiber grating semiconductor laser source», in Tech. Digest of ECOC'97, 107−110, 1997.

19. Р.А. Morton, V. Mizrahi, S.G. Kosinski, L.F. Mollenauer, T. Tanbun-Ek, Hybrid soliton pulse source with fiber external cavity and Bragg reflector", Electron. Lett., vol.28, 561−562, 1992.

20. C.R. Giles, T. Erdogan, V. Mizrahi, «Simultaneous wavelength-stabilization of 980-nm pump laser», IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, 907−909, 1994.

21. B.F. Ventrudo, G.A. Rogers, G.S. Lick, D. Hargreaves, T.M. Demayo, «Wavelength and intensity stabilization of 980-nm diode lasers coupled to fiber Bragg gratings», Electron. Lett., vol.30, 2147−2148, 1994.

22. D. Hargreaves, G.S. Lick, B.F. Ventrudo, «High-power 980 nm pump module operating without thermoelectric cooler», in Proc. Opt. Fiber Commim. Conf. (OFC'96), San Jose, CA, 1996, paper ThG3, 229−230.

23. F.N. Timofeev, R. Kashyap, «High-power, ultra-stable, single-frequency operation of a long, doped-fiber external-cavity, grating-semiconductor laser», Optics Express, vol.11, № 6, 515−520, 2003.

24. C.H. Henry, «Theory of the linewidth of semiconductor lasers», IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-18, № 2, 259−264, 1982.

25. E. Patzak, A. Sugimura, S. Saito, T. Mukai, H. Olesen, «Semiconductor laser linewidth in optical feedback configurations», Electron. Lett., vol.19, № 24, 1026−1027, 1983.

26. R. Wyatt, «Spectral linewidth of external cavity semiconductor lasers with strong, frequency-selective feedback», Electron. Lett., vol.21, № 15, 638−639, 1985.

27. A.L. Schawlow, C.H. Townes, «Infrared and optical masers», Phys. Rev., vol.112, № 6, 1940;1949, 1958.

28. M.W. Fleming, A. Mooradian, «Fundamental line broadening of single-mode (GaAl)As diode lasers», Appl. Phys. Lett., vol.38, p.511, 1981.

29. M. Fujise, M. Ichikawa, «Linewidth measurements of a 1,5 Jim range DFB laser», Electron. Lett., v.21, № 6, pp.231−232, 1985.

30. T.L. Koch, «Laser Sources for Amplified and WDM Lightwave Systems», in Optical Fiber Telecommunications vol. Ill B, edited by I.P. Kaminow and T.L. Koch, pp.138−144, 1997.

31. М. И. Беловолов, E.M. Дианов, А. П. Крюков, B.X. Пенчева, «Новые волоконно-интерферометрические методы исследования когерентных свойств перестраиваемых одночастотных лазеров» ,-Труды ИОФАН, 1988, т.15, стр.164−181.

32. H.L. An, «Theoretical investigation on the effective coupling from laser diode to tapered lensed single-mode optical fiber», Opt Commun., v.181, pp.89−95, 2000.

33. I.G. Koprinkov, I.K. Ilev, T.G. Kortenski, «Transmission Characteristics of Wide-Aperture Optical Fiber Taper», J. Lightwave Technol., v. 10, № 2, pp. 135 141, 1992.

34. K. Kawano, O. Mitomi, M. Saruwatari, «Combination lens method for coupling a laser diode to a single-mode fiber», Appl. Opt., v.24, № 7, pp. 984 989, 1985.

35. J.-I. Yamada, Y. Murakami, J.-I. Sakai, T. Kimura, «Characteristics of a Hemispherical Microlens for Coupling Between a Semiconductor laser and Single-Mode Fiber», IEEE J. Quant. Electron., v. 16, № 10, pp. 1067−1071, 1980.

36. H. Kuwahara, M. Sasaki, N. Tokoyo, «Efficient coupling from semiconductor lasers into single-mode fibers with tapered hemispherical ends», Appl. Opt., v.19, № 15, pp. 2578−2583, 1980.

37. П. Г. Елисеев, «Введение в физику инжекционных лазеров», М.," Наука", 1983 г.

38. X. Кейси, М. Паниш, «Лазеры на гетероструктурах», в двух томах, М., «Мир», 1981.

39. А. П. Богатов, П. Г. Елисеев, О. Г. Охотников, М. П. Рахвальский, К. А. Хайретдинов, «Взаимодействие мод и автостабилизация одночастотной генерации в инжекционных лазерах», Квантовая электроника, т. Ю, № 9, стр. 1851 1865, 1983.

40. B.W. Hakki, T.L. Paoli, «Gain spectra in GaAs double-heterostructure injection lasers», J. Appl Phys., v.46, № 3, pp. 1299−1306, 1975.