7.4. Полупроводниковые лазеры

Как уже отмечалось в гл. 2, полупроводниковые лазеры привлекают внимание главным образом в силу того, что их малые размеры и незначительное потребление энергии обеспечивают для многих применений существенные преимущества. При этом часто, например, для быстрой передачи и обработки информации важную роль играет возможность генерации ультракоротких импульсов. В отличие от лазеров других типов в диодных лазерах очень короткие импульсы могут быть получены в режиме самовозбуждающихся пульсаций [7.45], а также методом включения усиления или добротности Включение добротности резонатора или усиления необязательно должно производиться с жестко заданной частотой повторения,

как это имеет место при активной синхронизации мод, а может, например, осуществляться в виде одноразового включения, ведущего к образованию короткого моноимпульса (см. разд. 2.5). Минимально достижимая длительность импульсов определяется при этом временем затухания поля в резонаторе которое соответствует по крайней мере нескольким периодам пробега резонатора Типовые лазерные диоды позволяют работать с короткими резонаторами мм), время прохода которых имеет порядок величины . Это указывает на возможность генерации очень коротких моноимпульсов. Короткие импульсы инжекционного тока позволяют получить импульсы длительностью Выбирая резонаторы специальной конструкции и используя оптический способ включения усиления, удается проникнуть даже в пикосекундную и субпикосекундную области. Так, в [7.50] был создан резонатор с оптической длиной

12 мкм, время прохода которого равнялось При этом толщина активного полупроводникового элемента, полоски из GaAs, составляла лишь 1—2 мкм. Это устройство накачивалось моноимпульсом от лазера на красителе с синхронизацией мод. Имевшее при этом место предельно быстрое включение усиления позволило получить импульсы с длительностью немного меньшей чем Впрочем, этот метод в настоящее время, по-видимому, однозначно требует оптической накачки излучением лазера с синхронизацией мод.

Из изложенного следует, что реализуемые длительности импульсов ограничены областью, лежащей выше времени прохода резонатора. Еще более короткие импульсы, как и в лазерах других типов, могут быть получены только при синхронизации мод. В п. 5.3.1 уже кратко указывалось на возможность осуществления активной синхронизации мод в полупроводниковом лазере путем модуляции инжекционного тока с частотой, равной обратному времени прохода резонатора [7.51, 7.52], а также путем синхронной накачки. Как и в других типах лазеров, в полупроводниковых предельно короткие импульсы можно получить при пассивной синхронизации мод. Впервые пассивная синхронизация мод полупроводниковых лазеров наблюдалась Иппе-ном, Эйленбергером и Диксоном [7.53]. Наиболее короткие из полученных в настоящее время импульсов были измерены в [7.54]. В обеих работах применялись сходные устройства, схема которых представлена на рис. 7.11. В этих устройствах лазерный диод используется как активный элемент во внешнем резонаторе. Выходное зеркало внешнего резонатора образуется непросветленной торцевой поверхностью лазерного диода. Излучение, проходящее через хорошо просветленную поверхность противоположного торца диода, достигает объектива микроскопа с большой апертурой, а затем падает на глухое зеркало. Длина резонатора лазера по порядку величины составляет

10 см, что соответствует частоте следования импульсов, лежащей в области гигагерц. В оптический путь для ограничения ширины частотного спектра может быть введен эталон Фабри—? Перо. Диод непрерывно накачивается постоянным инжекцион-ным током. В случаях применения диодов из GaAs или GaAlAs активное вещество в силу содержащихся в нем дефектов, особенно в ненакачиваемой области, может одновременно использоваться в качестве насыщающегося поглотителя [7.53]. В [7.54] насыщающееся поглощение полупроводникового материала увеличивалось посредством введения ионов (облучением протонами с энергией при интенсивности облучения

Рис. 7.11. Полупроводниковый лазер с пассивной синхронизацией мод. (По [7.53, 7.54].) а — установка лазерного диода во внешнем резонаторе; б — резерв лазерного диода. Здесь представлен модифицированный диод на GaAlAs с гетероструктурой и внутренним оптическим полосковым световодом. (По [7.55, 7.56].) 1 — зеркало со 100%-ным отражением; 2 — эталон Фабри—Перо; 3 — лазерный диод; 4 — резонатор; 5 — поглотитель; 6 — неотражающая поверхность; 7 — волновод; 8 — отражающая поверхность.

Это позволяет сконцентрировать насыщающийся поглотитель в малой области вблизи выходного зеркала. Как уже было описано в гл. 6, эффективность действия насыщающегося поглотителя максимальна при расположении его в контакте с зеркалом резонатора. (Однако здесь необходимо указать, что оптимум достигается тогда, когда коэффициент отражения зеркала близок к что в рассматриваемой установке места не имеет.) Длительность импульса определяется по измерению автокорреляционной функции путем преобразования во вторую гармоническую составляющую в кристалле . В [7.54] таким путем было измерено значение Спектральная ширина оказалась равной Гц (что соответствует нм). С учетом этого значение произведения длительности импульса на ширину спектра составило что близко к значению этого произведения для -импульсов Ход автокорреляционной функции соответствует такой форме импульсов, к которой также приближается форма импульсов при пассивной синхронизации лазера на красителях (см. гл. 6).