Лазер

Поверхность отражения

Излучаемый, cSem

ратный свет

Рис. 3.26. Возникйовение шумов от обратного света

ляционных шумов интенсивности и шумов частотной модуляции. Эти вносимые шумы называются в силу своей природы шумами от обратного света и являются определенным препятствием для применения полупроводниковых лазеров.

В той или иной степени это явление характерно для лазеров всех типов, но в полупроводниковых лазерах коэффициент отражения торцевой поверхкостн резонатора примерно на 30 % меньше по сравнению с лазерами других типов, поэтому обратный свет легче проникает внутрь резонатора и его влияние столь заметно.

На рис. 3.27 приведены диаграммы, которые показывают, как с увеличением интенсивности обратного света увеличиваются и колебания мощности излучаемого света. Это влияние обратного света заметно при интенсивности его 0,003 % по отношению к излучаемому свету, а при 5 % обратный свет приводит уже к генерации импульсного типа.

Изменения характеристик генерации, вызванные обратным светом, сводятся главным образом к следующему:

сдвиг резонансной длины волны, изменение числа генерируемых продольных мод (рис. 3.28,а);

изменение формы кривой /-L, изменение порогового тока (рис. 3.28, б);

расширение или сужение спектра колебаний;

изменение вида модуляции, подавление или поддержка релаксационных колебаний;

появление шумов на гармонике f=с/(21) и ее высокочастотных составляющих (L -расстояние от лазера до внешней поверхности отражения), на частоте f=afc/(2Le) и ее высокочастотных составляющих (а/<1), увеличение низкочастотного шума, способствующих перескоку моды.

В лазерах с нелинейным генератором самовозбуждения при попадании извне поперечной световой волны с запаздыванием по фазе наблюдается нестабильность обычно строго детерминированных параметров, поэтому отмеченные выше явления свойственны не только лазерам с резонаторами Фабри-Перо, но и

Рис. 3.27. Времеийые колебания мощности лазерного луча из-за обратного света при Le = 5 см и соотношении мощности обратного и излучаемого света, равном нулю (а), 0,003 % (б) и 5% {в)

DFB-лазерам, DBR-лазерам. Подобную нестабильность детерминированных параметров принято называть хаосом. В настоящее время все шире изучается механизм его возникновения.

В реальных системах всегда имеются нерегулярные отклонения температуры лазера, его точки инжекции, положения внешней поверхности отражения и т. д. В результате проявления этих нерегу-лярностей уровень шумов возрастает.

Чтобы избежать шумов от обратного света, можно увеличить коэффициент отражения торцевой поверхности лазерного резонатора

20 Ю 60 Врет, НС

% О 20 Ю 60 о Время, НС

20 W 60 Время, НС

830 832 B3if Длина Волнынм

Без обратного сВета

Ток инжекции, мА

Рис. 3.28. Изменение характеристик генерации, обусловленное обратным светом: а -спектр продольной моды при обратном свете; б - зависимость мощности излучения от тока инжекции

путем напыления на нее тонкой пленки или использования оптического изолятора. Однако эти меры, особенно введение изолятора, повышают стоимость лазера, что противоречит идее создания малогабаритного, экономически выгодного полупроводникового прибора. Поэтому требуется дальнейшее изучение механизма возникновения шумов и выработка соответствующих технических решений.

При необходимости работы с пониженным уровнем шумов может использоваться многомодовый (имеются в виду продольные моды) лазер. В этом лазере возникают шумы, вызванные эффектом перескока моды, и уровень шумов при отсутствии обратного света выше, чем в одномодовом лазере. Но в силу малой когерентности многомодовый лазер обладает пониженной чувствительностью к обратному свету, поэтому последний здесь не приводит к ощутимому увеличению уровня шумов.

Многомодовым лазером может служить, например, лазер с усилительным волноводом. Здесь используются два метода подавления шумов. Первый заключается в том, что на колебания лазера с усилительным рефракционным волноводом, генерирующим одну продольную моду, накладывается ток высокой частоты (сотни мегагерц) и таким образом возникает многомо-довая генерация. Другой способ -увеличение разницы в коэффициентах преломления активного слоя и окружающих его слоев. Это приводит к самовозбуждению и к эффекту, аналогичному наложению высокочастотных токов, т. е. к возникновению многомодовой генерации.

Лазеры, выполненные с применением того или иного из описанных способов снижения шумов от обратного света, генерируют примерно десять продольных мод в виде импульсов с частотой несколько сотен мегагерц.

4. Шумы перескока моды. В лазерах, генерирующих единственную продольную моду, как, например, в лазерах с рефракционным волноводом и резонатором Фабри-Перо, ширина спектра усиления может быть до 10 нм, а расстояние между соседними продольными модами равно примерно 0,3 нм. И хотя в них обычно генерируется одна мода, усиление ее колебаний превышает усиление других, негенерируемых, мод незначительно.. Следовательно, при отклонениях тока инжекции или окружающей температуры может возникнуть генерация продольной моды, ранее не излучавшейся, и прекратиться генерация продольной моды, излучавшейся до этого (все тот же перескок моды, см. п. 3.5.2). Диаграммы, поясняющие это явление, приведены на рис. 3.29, откуда понятно, что перескок моды приводит к значительным колебаниям световой мощности лазера. Эти колебания называются шумами перескока моды.

Рассмотрим пример перескока моды. Для простоты ограничимся всего лишь двумя продольными модами, возможными для

If 2

Ч 774

О 20 30 W Температура, °С

Рис. 3.29. Температурный диапазон генерации различных продольных мод и шумы перескока мод

Рис. 3.30. Реальное изменение мощности излучения двух продольных мод во времени

генерации. При этом, если измерять временные изменения световой мощности, то получается характеристика, подобная изображенной на рис. 3.30.

Из рисунка видно, что при генерации одной моды генерация другой прекращается, т. е. происходит процесс типа переключения. В каждый момент генерируется только одна мода, и такой характер генерации объясняется сильной связью между модами в полупроводниковом лазере. Напротив, в газовом лазере, например в Не-Ne-лазере, эта связь слаба и обе моды могут генерироваться одновременно.

Обычно мощность генерируемых мод, неодинакова, поэтому их сложение приводит к колебаниям общей излучаемой мощности. Это и есть шумы перескока моды.

Перескок моды как явление, при котором флюктуации спонтанного излучения возникают по принципу срабатывания «спускового крючка» и начало генерации моды во времени совершенно случайно, можно описать на основе процесса Пуассона, причем средняя частота генерации с увеличением тока инжекции уменьшается по закону показательной функции.

Таким образом, для подавления шумов перескока моды желателен режим работы с высоким смещением. Ситуация также улучшается, когда число возможных для генерации мод достигает трех и более.

Для предупреждения перескока моды хорошо бы, регулируя температуру в соответствии с характеристикой на рис. 3.29, зафиксировать генерацию единственной продольной моды. Но трудность в том, что подобные характеристики индивидуальны для каждого экземпляра лазера.

Более надежным, способом является добавка в слой оболочки примесей теллура и использование его в качестве поглотителя с насыщением. Таким образом можно остановить генерацию новой моды. Поскольку поглотитель с насыщением имеет высокий коэффициент поглощения относительно светового излучения небольшой мощности, начинающаяся генерация сопровождается высокими потерями и подавляется. Напротив, для света большой мощности коэффициент поглощения невысок, потери для уже генерируемой моды малы и генерация продолжается. Таким образом, даже при изменении температуры и тока продолжаются колебания единственной моды, т. е. работа лазера стабильна в широком диапазоне условий.

Перескок моды характерен для лазеров, где отсутствует система управления продольными модами. В лазерах с распределенной обратной связью (типа DFB) и с распределенным брэгговским рефлектором (типа DBR) имеется регулировка продольной моды и поэтому перескока моды не наблюдается. В настоящее время эти лазеры используются главным образом как источники света для оптической связи и преимущественно с генерацией на длине волны 1,3... 1,6 мкм, что обусловливает применение в них соединен-ия InGaAsP. Известно о попытках выполнения их на материале AlGaAs, что дает возможность работы в видимом диапазоне света.

Шумы частотной модуляции. 1. Шумы, обусловленные спонтанным излучением. Шумы частотной модуляции также в основном определяются флюктуациями спонтанного излучения. Примером может служить распределение спектральной плотности мощности шумов частотной модуляции для лазеров на материале AlGaAs (рис. 3.31). Шумы частотной модуляции, обусловленные флюктуациями спонтанного излучения, имеют постоянный уровень (независимый от частоты /) при частоте чуть ниже 10 ТГц, соответствующей времени релаксации диполь-ных моментов из пар электрон-дырка. Эту составляющую спектральной плотности можно представить как белый шум.

Частота гармоник. Гц

Рис. 3.31. Спектральная плотность мощности шумов частотной модуляции / - суммарный шум; 2, 3, 4 - шумы, обусловленные электрическим током, носителями, спонтанным излучением

Он присутствует не только в полупроводниковых, но и в других лазерах.

Для полупроводниковых лазеров характерны также колебания частоты продольной моды, обусловленные колебаниями плотности носителей (вызванными, в свою очередь, флюктуациями спонтанного излучения), коэффициента преломления, а также тока (из-за колебаний плотности носителей) и собственного тепловыделения.

Шумы, обусловленные колебаниями коэффициента преломления, имеют резонансный пик, связанный с релаксационными колебаниями в широком частотном диапазоне. Шумы, обусловленные колебаниями тока, имеют только низкочастотные составляющие. В результате общая характеристика получается похожей на модуляционную характеристику, рассмотренную в п. 3.5.3.

2. Шумы, обусловленные колебаниями температуры и электрического тока. В действительности к шумам, описанным в п. 1, как и к модуляционным шумам интенсивности, добавляются шумы частотной модуляции, обусловленные колебаниями окружающей температуры и шумами источника тока инжекции. Подобно формуле (3.16) уровень этого шума выражается частотными колебаниями:

6v = -V [(А/п) bNc (б/) + («г + Рг) ST (б/) + бГ], (3.19)

где б/, 6Nc и бГ - колебания тока, плотности носителей и окружающей температуры; 6Т - температурные колебания, вызванные колебаниями тока.

На практике уровень этих шумов выше уровня шумов, описанных в п. 1, и частотные колебания, обусловленные ими, составляют 1 • 10-* и более. Если применять лазеры с такими шумами в качестве источника света для когерентных датчиков, то эти колебания во многих случаях могут оказаться недопустимыми и необходимо их подавлять. Предпринимаются попытки стабилизации частоты излучения с помощью системы автоматической регулировки тока инжекции, где используются модуляционные характеристики (см. п. 3.5.3). Эталоном частоты служат интерферометры Фабри-Перо, стабильные спектры поглощения атомов, молекул, где отношение частот не превышает 1 • 10-2.

3. Шумы, обусловленные обратным светом. Как уже говорилось в п. 1, условия генерации при попадании обратного света в ,1азер становятся весьма нестабильными, что приводит кзна-читодьным изменениям частоты излучаемого света. Кроме того, обратный свет может вызвать перескок моды, в таком случае колебания частоты увеличиваются.

4. Шумы перескока моды. При переходе генерации с одной моды на другую возникает скачкообразное изменение частоты,