Повышение частотной стабильности одномодового вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1,55 мкм с использованием дополнительного поляризационно-чувствительного внешнего резонатора на основе волоконной решетки Брэгга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Шулепов Владимир Андреевич

• Шулепов Владимир Андреевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Шулепов Владимир Андреевич

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Полупроводниковые источники оптического излучения

1.2. Шумы источника оптического излучения

1.3. Методы повышения частотной стабильности 1111 лазеров

1.4. Повышение частотной стабильности лазерного излучения путем использования дополнительного спектрального фильтра

1.5. Влияние обратных отражений на полупроводниковый лазер

1.6. Вертикально-излучающий лазер с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки

1.7. Согласование оптического волокна и лазерного диода. Ввод лазерного излучения в оптическое волокно

1.8. Согласование оптического волокна и лазерного диода. Согласование поляризационных осей ДЛП волокна и лазера

Выводы по Главе

Глава 2. Согласование излучения лазера с оптическим волокном

2.1. Моделирование связи поляризационных мод лазерного излучения в анизотропном оптическом волокне

2.2. Юстировка лазерного диодного модуля

2.3. Согласование вертикально-излучающего лазера с ДЛП волокном

Выводы по Главе

Глава 3. Повышение частотной стабильности вертикально-излучающего лазера внешним резонатором на основе волоконной решетки Брэгга

3.1. Исследование спектральных характеристик ВИЛ с внешним резонатором

от силы обратной связи

3.2. Оценка влияния длины внешнего резонатора на спектральные характеристики ВИЛ

3.3. Экспериментальное исследование зависимости спектральных характеристик ВИЛ с внешним резонатором от параметров ВБР

Выводы по Главе

Глава 4. Шумовые характеристики ВИЛ с внешним резонатором на основе ВБР

4.1. Влияние внешнего резонатора ВИЛ на шум интенсивности

4.2. Оценка фазового шума ВИЛ с внешним резонатором на основе ВБР

Выводы по Главе

Заключение

Сокращения

Список литературы

Список работ автора

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение частотной стабильности одномодового вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1,55 мкм с использованием дополнительного поляризационно-чувствительного внешнего резонатора на основе волоконной решетки Брэгга»

Реферат

Актуальность научной работы. В настоящее время полупроводниковые источники оптического излучения получили широкое распространение в различных отраслях промышленности благодаря своим компактным размерам, высокой эффективности преобразования электрической энергии в оптическую и возможностью плавной перестройки длины волны излучения [1, 2]. По типу вывода излучения полупроводниковые лазерные устройства можно разделить на вертикально-излучающие лазеры и лазеры с торцевым выводом излучения [3]. Вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ) имеют преимущество перед лазерами с торцевым выводом излучения в оптической связи, связанное с комбинацией уникальных свойств, таких как низкий пороговый ток, а, следовательно, и низкое энергопотребление, возможность применения прямой токовой модуляции до 40 Гбит/с, высокий КПД, возможность перестройки по длине волны, симметричную диаграмму направленности, а, следовательно, высокую эффективность согласования с оптическим волокном напрямую без использования сложной оптической схемы, которая применяется при согласовании оптического волокна с лазерами с торцевым выводом излучения, возможность тестирования устройств на общей подложке и высокая надежность, а также сравнительно низкая стоимость [4]. На текущий момент ВИЛ спектрального диапазона 1,55 мкм на рынке представлены несколькими компаниями, это ЯауСап, УвтШа8, Bandwith10 и ОрШаЪ. Коммерчески доступные ВИЛ присутствуют в виде чипов, чипов на подложке, массивов, в корпусе ТО с разъёмом под коннектор и с волоконным выходом, который в свою очередь представлен с изотропным одномодовым или многомодовым волокном. ВИЛ на другие длины волн излучения представлены большим количеством производителей, однако способ поставки аналогичен. Существуют одномодовые ВИЛ с линейно поляризованным излучением на выходе, и использование волокна с сохранением поляризации для вывода излучения позволило бы расширить сферу применений лазера, например, использовать в когерентной связи или волоконно-оптических интерферометрических датчиках.

Среди особенностей структуры ВИЛ выделяют размер активной области сопоставимый с длиной волны излучения, поэтому в конструкции для необходимой генерации излучения используются распределенные брэгговские отражатели с коэффициентом отражения больше 99%, однако, не смотря на такую высокую отражательную способность зеркал, лазер с вертикальным резонатором имеет высокую чувствительность к обратным отражениям. Это связано с малым количеством фотонов внутри резонатора [3], поэтому даже небольшие отражения от элементов оптической схемы или торца волокна, в которое вводится свет, способны оказывать влияние на генерацию лазерного излучения. Помимо спонтанных переключений между продольными модами как с параллельной, так и с ортогональной поляризацией, наблюдается значительная частотная вариация лазерного излучения [5, 6].

Существуют различные способы повышения стабильности лазерного излучения. В общем случае их все можно разделить на два: с использованием оптической и электрической обратной связи. Второй способ подразумевает собой использование дорогостоящего оборудования, в несколько десятков раз превышающее стоимость лазерного диода, например, создание системы OPLL или другие виды систем обратной связи. Поэтому было решено остановиться на методах с использованием оптической обратной связи, которые связаны c созданием сложного резонатора путем добавления дополнительного спектрально селективного элемента. Методы с использованием распределенной обратной связи (DFB) или распределенным брэгговским отражателем (DBR) требуют вмешательство в структуру чипа. Также существует метод с использованием внешнего резонатора на базе дифракционной решетки, объемной голографической решетки и волоконной брэгговской решетки. Из всех возможных вариантов выбрана технология, включающая поляризационно чувствительную волоконную брэгговскую решетку по причине ее одновременной простоты, компактности, сравнительно низкой стоимости и эффективности стабилизации длины волны [5]. Существует ряд работ по исследованию спектральных свойств ВИЛ с внешним

резонатором в виде металлического зеркала, так, в работе [7] авторам удалось, изменяя аттенюатором силу обратной связи, получить различные режимы работы лазера от силы обратной связи, а в работе [8] для многомодового ВИЛ получено сужение спектра в 3 раза по причине подавления мод высокого порядка. Также обнаружено, что при токах, не превышающих значение порогового в 2,6 раз, ВИЛ работает в квазиодномодовом режиме под действием внешних отражений. Касаемо исследованию свойств ВИЛ с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР), в работе [9] авторам с использованием внешнего резонатора удалось сузить спектр излучения лазера на 40%, в работе [10] авторам удалось повысить коэффициент подавления боковых мод за счет создания внешнего резонатора на ВБР, а в работе [11] добились сужения спектральной линии ВИЛ в два раза.

В волоконно-оптических устройствах шумовые помехи присутствуют в оптических, электрооптических и электронных компонентах: источнике, передающем волокне, детекторе и связанных электронных схемах. Проблема наличия шума ограничивает разрешение в большинстве видов измерений. В настоящей работе будет рассмотрено влияние двух основных видов шума: фазовый и амплитудный. В лазерных устройствах фазовый шум, как правило, больше амплитудного, в том смысле, что фазовый шум почти полностью отвечает за спектральную ширину линии лазера. Шумы излучения являются ключевой характеристикой лазерного устройства, так как напрямую влияют на область его применения, поэтому важно оценить вклад обратных отражений от внешнего резонатора на основе волоконной брэгговской решетки в уровень шумов излучения ВИЛ [12, 13].

Учитывая особенности одномодового вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1,55 мкм, повышение его частотной стабильности путем создания внешнего резонатора на базе поляризационно-чувствительной волоконной брэгговской решетки является крайне актуальной задачей.

Целью настоящей работы является стабилизация спектральных характеристик вертикально-излучающего лазера путем создания внешнего резонатора на базе брэгговской решетки, индуцированной в оптическом волокне с двулучепреломлением.

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

• Разработать методику согласования поляризационных осей двулучепреломляющего волокна и вертикально-излучающего лазера;

• Провести экспериментальное исследование зависимости параметров вертикально-излучающего лазера от различных параметров внешнего резонатора, таких как, длина, коэффициент отражения решетки, ширина спектра отражения решетки;

• Провести экспериментальную оценку влияния внешнего резонатора на волоконной брэгговской решетке на шумовые характеристики вертикально-излучающего лазера.

Научная новизна работы:

1. Впервые продемонстрирована возможность стабилизации плоскости поляризации излучения одномодового вертикально-излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм за счет согласования поляризационной моды лазера с модой внешнего резонатора на основе брэгговской решетки, индуцированной в волокне с двулучепреломлением.

2. Впервые получено повышение частотной стабильности излучения и уменьшение уровня относительного шума интенсивности одномодового вертикально-излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм, при использовании поляризационно-чувствительной волоконной решетки Брэгга в качестве дополнительного внешнего резонатора.

3. В работе предложена методика управления режимами излучения и модовым составом излучения вертикально-излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм за счет контролируемого изменения коэффициента обратной связи внешнего резонатора, сформированного на основе поляризационно-чувствительной волоконной решетки Брэгга путем температурного смещения спектра отражения решетки.

Практическая значимость работы:

Представленная работа, связанная со стабилизацией спектральных характеристик вертикально-излучающего лазера, является важным шагом на пути к созданию узкополосного лазерного устройства на отечественной компонентной базе. Путем создания внешнего резонатора на базе поляризационно-чувствительной волоконной брэгговской решетки повышаются как спектральные, так и шумовые характеристики лазерного источника, что при использовании в волоконно-оптических датчиках позволит значительно повысить отношение сигнал-шум. Разработанная методика согласования поляризационных осей лазера и двулучепреломляющего оптического волокна позволяет расширить сферу применения вертикально-излучающего лазера на волоконно-оптические фазовые интерферометрические датчики, когерентную связь и др.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Смещение центральной длины волны отражения на 0,3 нм поляризационно-чувствительной волоконной решетки Брэгга, используемой в качестве внешнего резонатора длиной 1 м одномодового вертикально излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм, приводит к переключению между одночастотным режимом работы лазера, режимом, сопровождаемым скачками мод внешнего резонатора и режимом хаоса, при

использовании решетки с шириной спектра 95 пм и коэффициентом отражения 95%.

2. Формирование дополнительного внешнего резонатора длиной 1 м на основе поляризационно-чувствительной волоконной решетки Брэгга позволяет снизить частотную вариацию излучения по уровню 3 а с 970 МГц до 20 МГц одномодового вертикально-излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм при использовании решетки с шириной спектра 95 пм и коэффициентом отражения 95%.

3. Поляризационно-чувствительная волоконная решетка Брэгга с шириной спектра 95 пм и коэффициентом отражения 95%, используемая в качестве дополнительного внешнего резонатора длиной 30 мм одномодового вертикально-излучающего лазера монолитной конструкции с активной областью в виде квантовых ям и выводом излучения через подложку спектрального диапазона 1,55 мкм, обеспечивает снижение уровня относительного шума интенсивности с 7,2-10" 10 1/Гц до 1,5-10-11 1/Гц в диапазоне токов накачки 1,86 - 3,2 мА.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии. Автор принимал решающее участие в измерении характеристик вертикально-излучающего лазера с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки, интерпретации результатов расчета и эксперимента и последующей подготовке публикаций в рецензируемых научных журналах. Он лично представлял научные результаты на всероссийских и международных конференциях.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях: XLVI, XLVШ, XLX научая и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 2017, 2019, 2021; XX, XXI конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", Санкт-Петербург, Россия, 2018, 2019; VI, VII, X Конгресс молодых ученых, Санкт-

Петербург, Россия, 2017, 2018, 2021; XI Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО - 2019», Санкт-Петербург, Россия, 2019; 19th International Conference on Laser Optics ICLO 2020, Санкт-Петербург, Россия; IX Международная научно-техническая и научно-методическая конференция "Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании", Санкт-Петербург, Россия, 2020.

Публикации. Основные результаты, полученные в ходе проведения исследований в рамках диссертационной работы, опубликованы в 9 работах, из них 1 публикация в журнале из списка Scopus и 2 публикации в журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Настоящая диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертационная работа изложена на 178 страницах, содержит 66 рисунков, 2 таблицы, список сокращений и условных обозначений, список литературы, включающий 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Шулепов Владимир Андреевич

Заключение

Проведено исследование зависимости спектральных характеристик излучения VCSEL от длины внешнего резонатора на основе волоконной решетки Брэгга.

Получено, что при использовании волоконной решетки Брэгга с R = 95 % и ДА, = 0,095 нм и длине резонатора 30 мм можно наблюдать стабильный спектр излучения со средними квадратичным отклонением вариации центральной длины волны излучения порядка 0,4 пм и амплитудой дрейфа порядка 0,5 пм. При этом в случае без внешнего резонатора среднее квадратичное отклонение составило порядка 8 пм, а амплитуда дрейфа порядка 2 пм. Помимо этого, с увеличением длины резонатора сокращается среднее квадратичное отклонение вариации центральной длины волны излучения, которое в лучшем случае (при длине внешнего резонатора 1040 мм) достигало 0,1-0,2 пм.

Результаты проведенного исследования могут быть полезны при создании волоконно-оптических распределенных датчиков, в конструкции которых необходимо использовать когерентные источники излучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шулепов Владимир Андреевич, 2021 год

Литература

1. Mizimami Т., Hamada Т., Yamamoto Т. External-fiber-grating vertical-cavity surface-emitting lasers // IEEE Photonics Technology Letters. 2000 V. 12. N 11. P. 1558-1560. doi: 10.1109/68.887750

2. Law J.Y , Agrawal G.P. Effects of optical feedback on static and dynamic characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers ii Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 1997. V. 3. N2. P. 353-358. doi: 10.1109/2944.605678

3. Schwarz S. Impact of Waveguide Input Coupling on Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diodes. Wien, 2009. 99 p.

4. Окоси Т., Окамото К. и др Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

5. Donati S., Horng R.H. The diagram of feedback regimes revisited // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2013. V. 19. N4. doi: 10 1109/jstqe.2012.2234445

6. Tkach R.W., Chraplyvy A^R. Regimes of feedback effects in 1.5 -pm distributed feedback lasers // Journal of Lightwave Technology. 1986. V.4. N11. P. 1655-1661. doi: 10.1109/jlt. 1986.1074666

7. Chung YC, Lee Y.H. Spectral characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers with external optical feedback // IEEE Photonics Technology Letters. 1991. V.3. N7. P. 597-599. doi 10.1109/68 87925

8. Morton P.A., Mizrahi V., Tanbunek T. Stable smgle mode hybrid laser with high power and narrow linewidth // Applied Physics Letters. 1994. V. 64. N20. P. 2634-2636 doi: 10.1063/1.111475

9. Jiang S., Pan Z., Dagenais M., Morgan R.A., Kojima K. Influence of external optical feedback on threshold and spectral characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers // IEEE Photonics Technology Letters. 1994. V. 6. N1. P 34-36. doi: 10 1109/68.265881

10. Hlaing HM, Thomazy D M , Yiechincki В J., Lin H. Linewidth narrowing caused by optical feedback ш a multi-mode vertical-cavity surface-emitting laser // Optics Communications 2006. V. 265. N 2. P. 580-584. doi: j.optcom.2006.03.032

11. Mizimami T , Kojima S., Kudo T. A narrow-spectrum long-wavelength VCSEL using a fiber Bragg grating // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6351. doi: 10.Ill7/12.691762

12. Gmdice GE, Kuksenkov D V, De Peralta L.G., Temkm H Single-mode operation from an external cavity controlled vertical-cavity surface-emitting laser // IEEE Photonics Technology Letters. 1999. V. 11. P. 1545-1547. doi: 101109/68 806841

13. Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope. 2ttd ed. London: Aitech House, 2014 416 p.

14. Giibaev A. I., Pavlishin LV.; Stam A.M ., Mnsov R F, Varzhel S.V.j Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V.48. N12. P 540. doi: 10.1007/sl 1082-016-0816-3

15. Moser P. Energy-Efficient YCSELs for Optical Interconnects.

References

1. Mizunami T, Hamada T., Yamamoto T. Extemal-fiber-grating vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Photonics Technology Letters, 2000, vol.12, no. 11, pp. 1558-1560 doi: 10.1109/68.887750

2. Law J Y., Agrawal G P. Effects of optical feedback on static and dynamic characteristics of vertical-cavity surface-emittmg lasers. Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 1997, vol. 3, no. 2, pp. 353-358. doi: 10.1109/2944.605678

3. Schwarz S. Impact of Waveguide Input Coupling on Vertical Cmity Surface Emitting Laser Diodes. Wien, 2009, 99 p.

4. Okosi T.3 Okamoto K, Otsu M., Nisihara H., Kuma K, Hatate K_ Fiber-Optic Sensors. Leningrad, Energoatomidat PubL 1990, 256 p. (in Russian)

5. Donati S., Horng R.H. The diagram of feedback regimes revisited. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics„ 2013, vol. 19, no. 4. doi: 10.1109/jstqe.2012.2234445

6. Tkach RW, Chraplyvy A.R Regimes of feedback effects m 1.5-pm distributed feedback lasers. Journal of Lightwave Technology, 1986, vol.4, no. 11, pp. 1655-1661. doi: 10.1109/jlt. 1986.1074666

7. Chung Y.C , Lee Y.H. Spectral characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers with exteraal optical feedback. IEEE Photonics Technolog}' Letters, 1991, vol. 3, no. 7, pp. 597-599 doi: 10.1109/68.87925

8. Morton P.A., Mizrahi Y, Tanbimek T. Stable single mode hybrid laser with high power and narrow linewidth. Applied Physics Letters, 1994, vol 64, no. 20, pp 2634-2636. doi: 10.1063/1.1 L1475

9. Jiang S., Pan Z , Dagenais M, Morgan RA, Kojnna K Influence of external optical feedback on threshold and spectral characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Photonics Technology Letters, 1994, vol. 6, no. 1, pp 34-36. doi: 10.1109/68.265881

10. HIanig H.M., Thomazy D.M., Yiechincki B.J, Lm H. Linewidth narrowing caused by optical feedback in a multi-mode vertical-cavity surface-emittmg la sei". Optics Communicationst 2006, vol. 265, no. 2, pp. 580-584. doi: j.optcom.2006.03.032

11. Mizunami T , Kojnna S., Kudo T. A narrow-spectrum long-wavelength VCSEL using a fiber Bragg grating. Pr oceedings of SPIE, 2006, vol. 6351. doi: 10.1117/12.691762

12. Giudice GE , Kuksenkov D V, De Peralta L.G., Temkm H Single-mode operanon from an external cavity controlled vertical-cavity surface-emitting laser IEEE Photonics Technology> Uttels, 1999, vol. 11, pp. 1545-1547. doi 10.1109/68.806841

13. Lefevre H.C. The Fiber Optic Gyroscope. 2nd ed. London, Aitech House, 2014,416 p.

14. Gribaev A.I., Pavlishin IV, Stam AM., Hrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 12, pp. 540. doi: 10.1007/sl 1082-016-0816-3

15. Moser P. Energy-Efficient VCSELs for Optical Interconnects.