Перестроечные спектральные характеристики астигматичных лазерных диодов с внешним резонатором

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

В работе экспериментально показано, что спектральные характеристики частично просветленных gain-guided AlGaAs/GaAs лазерных диодов с внешним резонатором можно улучшить, если добавить в оптическую систему согласующую цилиндрическую линзу. В частности, таким путем удается повысить уровень доступной оптической мощности в одночастотном режиме и расширить в 4-5 раз диапазон непрерывной токовой перестройки. При синхронном сканировании собственного и внешнего резонаторов была получена спектральная перестройка частоты излучения лазерного диода в диапазоне 16,5ГГц при выходной оптической мощности 15мВт.

Развитие исследований с использованием лазерных диодов (ЛД) в интерферометрии и атомной спектроскопии предъявляет все более высокие требования к параметрам излучения: мощности, ширине и стабильности спектра, диапазону перестройки оптической частоты. Наиболее распространенные ЛД с резонатором, образованным гранями полупроводникового кристалла, не могут полностью удовлетворить эти требования из-за разрывов в перестроечной характеристике и склонности к многомодовой генерации [1]. Поэтому в приложениях, где когерентность и широкая перестройка оптической частоты являются критическими параметрам, лазерные диоды часто используют совместно с дополнительным внешним резонатором (ВР), обеспечивающим частотно-селективную оптическую обратную связь (ООС).

К настоящему моменту предложено большое количество схем внешних резонаторов для ЛД и воздействие ООС на характеристики лазерных диодов достаточно подробно изучено [1-3]. Установлено, что для получения практически наиболее важного режима генерации на единственной продольной моде ВР (одночастотный режим) во всем диапазоне доступных токов накачки необходим высокий уровень ООС между лазерным диодом и внешним резонатором и, как правило, высокая спектральная селективность последнего [4]. Сильная оптическая обратная связь означает, что эффективный коэффициент отражения от внешнего отража теля больше или сравним с отражением от собственной грани ЛД. Гарантированное выполнение этого условия обычно достигается применением светосильной оптики и просветлением лазерной грани до получения остаточного коэффициента отражения на уровне 10-4. Однако, для получения таких уль-транизких отражений необходим целый комплекс сложного лабораторно-технического оборудования, что делает рассматриваемый подход относительно труднодоступным.

Необходимо отметить, что большинство современных промышленных ЛД сразу изготавливаются с пониженным до 3-10% коэффициентом отражения передней грани. Это благоприятное обстоятельство позволяет получить стабильную одночастотную генерацию при умеренном (10-30%) превышении порогового тока. Однако, для продвижения в область максимально доступных мощностей излучения и, следовательно, больших токов накачки необходимы дополнительные меры по увеличению уровня ООС. Один из способов может быть предложен для gain-guided лазерных диодов без бокового ограничения поля. Метод основан на том, что вследствие большого (до 100 мкм) астигматизма выходного излучения указанных ЛД, эффективность ввода пучка, возвращающегося из пассивного внешнего резонатора обратно в активную область, зависит от кривизны фазового фронта. Следовательно, скомпенсировав потери на ввод можно повысить ООС и тем самым улучшить характеристики лазер-

Рис. 1. Лазерны й диод с внешним резонатором:

а) конфигурация внешнего резонатора; б) схема экспериментальной установки.

LD - лазерный диод, L 1 - коллимирующий микрообъектив (F=6мм; NA=0,4); L 2 - согласующая цилиндрическая линза (F=5см); DG 1 - дифракционная решетка (1200 штр/мм); DG 2 - то же (600 штр/мм, 2порядок); FP 1 - сканируемый конфокальный интерферометр (FSR=1,5 ГГц; F=35);

FP 2 - эталон Фабри-Перо (FSR=50 ГГц, F=12); PD - фотодиоды; BS - делители пучка;

CCD - линейка фотодиодов, L-L6 - сферические линзы; Pel- микрохолодильник

ного излучения.

Цель данной работы экспериментально продемонстрировать, что, оптимизируя с помощью цилиндрической линзы согласование частично просветленного, астигматично-го лазерного диода с внешним резонатором, можно увеличить доступный уровень мощности излучения в одночастотном режиме и расширить диапазон непрерывной перестройки оптической частоты.

Измерения выполнены на промышленных структурах типа ИЛПН-108, представляющих собой gain-guided AlGaAs/GaAs лазерные диоды с шириной полоскового контакта 10-15 мкм и длиной резонатора 250-280 мкм. Передняя грань лазеров была просветлена до 3-5%, а на заднюю грань напылено высоко отражающее покрытие. Приборы имели астигматическое расстояние 60-90 мкм, измеренное по методике [5], и излучаемые длины волн находились в интервале 820-830 нм. Для экспериментов отбирались образцы с регулярным распределением интенсивности в дальней зоне и фактором Питермана K>2.61. Последнее условие, как показано в [5], гарантирует отсутствие в лазерной структуре бокового рефрактивного (index-guided) волновода. Лазеры работали в непрерывном режиме при стабилизации температуры радиатора. Никаких модификаций корпусов из лучателей не проводилось.

Конфигурация лазерного диода с внешним резонатором (ЛДВР) и схема экспериментальной установки показаны на рис.1. Корпус лазерного излучателя закреплялся в радиаторе таким образом, чтобы плоскость p-n перехода располагалась вертикально. Излучение от передней грани лазера коллимировалось в параллельный пучок просветленным микрообъективом L1. Дополнительный внешний частотно-селективный резонатор был образован передней гранью лазера и дифракционной решеткой DG1, установленной в конфигурации Литтрова с вертикальной ориентацией штрихов на расстоянии 15 см от ЛД. Для повышения эффективности дифракции DG1 внутри резонатора размещалась полуволновая пластинка HP, которая поворачивала плоскость поляризации излучения ЛД ортогонально штрихам решетки. Кроме того, во внешней части ЛДВР была установлена согласующая цилиндрическая линза L2 с помощью, которой повышалась эффективность ввода излучения дифрагирующего от DG1 в активную область лазера. Ось линзы L2 располагалась горизонтально и ориентировалась параллельно плоскости решетки DG1, также была предусмотрена возможность смещения линзы вдоль оси ВР рис.1б. Вывод излучения из внешнего резонатора осуществлялся по двум каналам. В качестве основного канала использовался нулевой порядок дифракции от DG1 и в качестве вспомогательного контрольного канала - пучок, отраженный от грани HP. Отметим, что при юстировке или перестройке оптической частоты ЛДВР часто возникает необходимость поворота решетки DG1, что вызывает угловые отклонения основного выходного пучка, в то время как положение контрольного пучка остается фиксированным в пространстве. Наблюдение спектра мод собственного резонатора (СР) лазерного диода выполнялось с помощью монохроматора, образованного дифракционной решеткой DG2, линзами L4-L6 и линейкой ПЗС-фотоприемников CCD. Спектр мод внешнего резонатора контролировался сканирующим интерферометром FP1, и эталоном Фабри-Перо FP2. Изменения оптической мощности Pout регистрировались фотодиодом PD1, встроенным в сборку лазерного излучателя.

Увеличение уровня оптической связи лазера с внешним резонатором наиболее просто зарегистрировать по снижению величины порогового тока накачки I_th и расширению диапазона спектральной перестройки оптической частоты. С этой целью измерялась величина порогового тока как функция длины волны генерации для не согласованного (без линзы L 2 ) и согласованного ВР Спектральная перестройка ЛДВР в данном случае

Рис. 2. Зависимость порогового тока накачки от длины волны генерации ЛДВР: 1- несогласованный ВР; 2- согласованный ВР. Крестиками показаны экспериментальные точки, подгоночные кривые изображены сплошными линиями. Пунктирная линия соответствует уровню порогового тока ЛД в свободном режиме

Рис. 3. Резонансы пропускания конфокального сканирующего интерферометра FP1 (FSR=1,5 ГГц; F=35) при одночастотном режиме генерации ЛДВР осуществлялась поворотом внешней дифракционной решетки DG1. Поскольку лазер был просветлен лишь частично, то при повороте решетки наблюдалась дискретная перестройка длины волны генерации путем последовательного переключения по продольным модам собственного резонатора. Из представленных на рис.2 данных следует, что для согласованного случая (кривая 2) во-первых, больше интервал доступных длин волн и, во-вторых, для любой доступной длины волны величина порогового тока меньше. Это наглядно подтверждает, что при использовании согласующей цилиндрической линзы уровень связи астигматичного лазера с внешним резонатором повышается.

Затем исследовалось влияние условий согласования на параметры одночастотного режима генерации. Переход лазерного диода в указанный режим контролировался по резонансам пропускания сканирующего интерферометра FP 1 рис.3. Оценка ширины линии генерации ЛДВР, выполненная по резонансам FP 1 , дает величину Av<40MГц и определяется предельным разрешением интерферометра. Недостаточная резкость интерферометра FP 1 , доступного на момент измерений, не позволила зарегистрировать какие-либо изменения в ширине линии генерации при вариации согласования ЛД с внешним резонатором.

На рис.4 показаны дискретные перестроечные кривые, полученные в одночастотном режиме генерации ЛДВР. При малом токе

Рис. 4. Дискретная, перестройка длины волны генерации ЛДВР в одночастотном режиме: а) не согласованный ВР; б) согласованный ВР. Крестиками показаны экспериментальные точки, подгоночные кривые изображены сплошными линиями. Кривые 1,2 соответствуют токам накачки 60 и 100мА, соответственно

накачки (кривая 1) для согласованного ВР наблюдалось расширение спектрального интервала, в пределах которого сохранялась одночастотная генерация. При высоком токе накачки (кривая 2) в согласованной и несогласованной конфигурации ВР диапазоны одночастотной генерации примерно одинаковы. Хотя заметного выигрыша в данном случае нет, отметим, что несколько исследованных образцов ЛД при использовании внешнего резонатора без цилиндрической линзы не работали в режиме одночастотной генерации при 1,5 кратном превышении I th .

Несмотря на широкую дискретную перестройку ЛДВР, во многих случаях более важна непрерывная перестройка лазерной частоты. В данной работе непрерывная перестройка осуществлялась за счет сканирования мод собственного резонатора путем подачи пилообразной составляющей в ток накачки лазера. Амплитуда пилы составляла 3мА, а частота модуляции выбиралась в диапазоне от 5 до 80Гц, при этом постоянный ток накачки соответствовал 1,5-2 кратному превышению над пороговым значением. В одночастотном режиме на пилообразные колебания оптической мощности (кривая 1 на Рис.5), соответствующие изменениям тока накачки ЛД, накладывались осцилляции (в данном случае ступенчатой формы) с меньшим, чем у сигнала модуляции периодом. Подобные ступенчатые осцилляции в Pout связаны с переключением частоты генерации ЛД по модам ВР [5]. Это иллюстрирует сигнал пропускания интерферометра FP2 (кривая 2), который использовался в качестве частотного дискриминатора. Плоские почти горизонтальные участки на кривой 2 соответствуют интервалам непрерывной перестройки оптической частоты, а резкие вертикальные скачки означают переключение генерации на соседнюю моду ВР. Из рис.5 следует, что интервал непрерывной токовой перестройки ЛДВР много меньше, чем межмодовый интервал внешнего резонатора, составляющий в данном случае 1ГГц. Отметим, что этот результат получен для положения согласующей линзы L2, при котором получался минимальный пороговый ток лазерного диода.

С другой стороны, если оптимизировать согласование лазера с внешним резонатором по максимуму выходной оптической мощности при высоких токах накачки, то наблюдается режим одночастотной генерации с "расширенным" интервалом непрерывной токовой перестройки. Особенности перестроечной характеристики ЛДВР в этом режиме иллюстрируются на Рис.6. Кривая 1, соответствующая изменениям Pout при пилообразной модуляции тока, теперь содержит протяженные участки без переключений по модам ВР. Непрерывность перестройки оптической ча-

Рис. 5. Токовые перестроенные характеристики ЛДВР в одночастотном режиме:

1- изменения выходной оптической мощности;

2- пропускание эталона FP 2

стоты на этих участках подтверждается по сигналу от FP 2 - кривая 2. Для количественной оценки узкий резонанс пропускания интерферометра FP 1 (Av=40 МГц) был настроен в начале в область расширенной перестройки (кривая 3), а затем в область с переключениями (кривая 4). Видно, что в первом случае диапазон непрерывной перестройки равен 200 МГц, тогда как во втором случае ограничен 35 МГц.

Поскольку частота генерации частично просветленного лазера определяется как собственным, так и внешним резонаторами, то, очевидно, что перестраивая их по отдельности нельзя получить широкой перестройки из-

Рис. 6. "Расширенные" токовые перестроенные характеристики ЛДВР: 1- изменения выходной оптической мощности;

2- пропускание эталона FP 2 ;

3- пропускание интерферометра FP 1 в области расширенной перестройки;

4- тоже в области с переключениями за периодически возникающего рассогласования между СР и ВР модами. На практике для увеличения перестроечного интервала указанные резонаторы обычно сканируют синхронно, чтобы пара мод, на которой происходит генерация ЛД, дольше оставалась согласованной по частоте. В данной работе для осуществления режима "синхронной" перестройки сигнал от задающего пилообразного генератора одновременно подавался в источник тока ЛД и высоковольтный усилитель, который контролировал пьезокерамическую подвижку дифракционной решетки DGr Первоначально при отключенной пьезоподвижке лазер настраивался на режим расширенной токовой перестройки. Затем, оптимизируя, глубину модуляции тока накачки и амплитуду сканирования длины ВР добивались максимального интервала непрерывной перестройки частоты лазерной генерации. Полученные экспериментальные результаты представлены на рис.7. В отличие от рис.5 и 6 здесь даже, несмотря на большую амплитуду модуляции тока в выходной мощности полностью отсутствуют (кривая 1) осцилляции, связанные с переключениями по модам ВР, а нелинейные искажения на кривой 1 связаны с нелинейностью Ватт амперной характеристики ЛД. О непрерывном характере перестройки частоты свидетельствует гладкая форма (сравните с рис.5 и 6) прописанного резонанса пропускания FP2 (кривая 2), ширина которого составляет 4ГГц.

Рис. 7. "Синхронные" перестроенные характеристики ЛДВР:

1- изменения выходной оптической мощности;

2- пропускание эталона FP 2 ;

3- тоже для FP 1

Более точная оценка интервала перестройки выполнялась по резонансам пропускания FP 1 (кривая 3). Поскольку область свободной дисперсии FP 1 составляет 1,5ГГц, то диапазон непрерывной "синхронной" одночастотной перестройки ЛДВР на рис.7 примерно равен 1,5x11 = 16,5 ГГц.

Таким образом, в работе показано, что спектральные характеристики частично просветленных gain-guided лазерных диодов с внешним резонатором можно легко улучшить с помощью согласующей цилиндрической линзы за счет дополнительного повышения уровня ООС. В частности, это позволило перевести все исследованные образцы в одночастотный режим генерации при 1,5 кратном превышении порогового тока накачки, а в двух лазерах из десяти этот режим сохранялся даже при I/Ith=2. Кроме того, повышенная ООС обуславливает более сильную привязку частоты генерации ЛД к моде внешнего резонатора, что с одной стороны повышает устойчивость одночастотного режима к внешним возмущающим воздействиям, а с другой расширяет в 4-5 раз диапазон непрерывной токовой перестройки ЛДВР. При синхронном сканировании собственного и внешнего резонаторов была получена спектральная перестройка частоты излучения ЛДВР в пределах 16,5ГГц, при этом величина выход ной оптической мощности составляла 15мВт. В заключении отметим, что благодаря наличию во внешнем резонаторе цилиндрической линзы, лазерный выходной пучок является сильно эллиптичным и обладает астигматизмом, поэтому для эффективного использования подобных излучателей обязательно необходима анаморфотная согласующая оптика.

Авторы благодарят Котову С.П. за поддержку и постоянное внимание к работе.