Факторы влияющие на форму частотного отклика излучения лазера: Нелинейное усиление

1. Факторы влияющие на форму частотного отклика излучения лазера: Нелинейное усиление

P(w)
Идеальная модель
g (S )
g0
1 e S
С учетом нелинейного усиления
1
w
e
Природа нелинейного усиления:
- инт. света
- конц. носителей
Выжигание пространственных дыр
Выжигание спектральных дыр
n(e)

2. Влияние нелинейного усиления на частотную характеристику лазера

3. Влияние паразитных элементов цепи питания на частотные характеристики лазеров

Амплитуда отклика, дБ
Результаты моделирования:
Схема монтажа высокочастотного лазера:
Частота, ГГц
Lp - паразитная индуктивность проволочки
Сp -
Паразитные элементы цепи питания лазера
подвода питания
паразитная емкость (контакты и барьерная
емкость структуры)

4. Передача информации с помощью коротких импульсов света, генерируемых лазерами

Отклик на одиночный импульс:
Мощность, мВт
c возвратом к 0
(Return-to-Zero)
NRZ-сигнал
Время
Чирп, ГГц
RZ-сигнал
Два способа кодировки:
без возврата к 0
(Non-Return-to-Zero)
Время
Мощность, мВт
Отклик на
последовательность
импульсов:
Время, нс
Время, нс

5. «Глаз-диаграмма» - мера искажения оптических сигналов

Мощность, мВт
Принцип построения «глаз-диаграммы» (на примере NRZ):
Время, нс
Мощность, мВт
1. Запомним форму отклика в памяти осциллографа
2. Приведем передние фронты всех оптических импульсов
к одному моменту времени t=0 (как показано на рис.)
3. В результате получим «глаз-диаграмму»
Время, пс
4. Площадь открытой части глаза есть мера качества
передачи сигнала

6.

Генерация коротких одиночных импульсов света:
Режим модуляции усиления
I
При накачке коротким импульсом тока усиление
растет, достигает уровня потерь и затем превышает
его (динамический эффект!)
импульс тока
Для генерации одиночных импульсов света нужны
короткие импульсы тока накачки, обычно < 1 нс,
t
(тогда не возникают релаксационные колебания мощности
на спаде импульса света)
g,
a,
P
мощность P
Пиковая мощность тем больше, чем сильнее
в структуре лазера электрон-фотонный резонанс.
потери a
усиление g
t
Отклик усиления и мощности
излучения лазера.
Для этого надо:
- большое dg/dn (дифф. усиление)
- малое tp (большие потери, короткий рез-тор)
- малое e (коэфф. нелинейного усиления)
Типичные величины импульсной мощности
в этом режиме:
Pмакс ~ 1-10 Вт
Длительность импульса: ~ 100 пс

7. Генерация коротких импульсов света: Режим модуляции добротности

I
Для работы в этом режиме в резонаторе лазера должен
быть насыщаемый светом нелинейный поглотитель
(см. далее)
импульс тока
При накачке коротким импульсом тока усиление
растет, достигает исходного уровня потерь и тогда
начинает расти оптическая мощность
В результате роста мощности поглотитель насыщается
и потери в резонаторе уменьшаются
t
g,
a,
P
мощность
При уменьшении потерь мощность света быстро
растет, но это приводит к «съеданию» инверсии,
усиление падает и мощность света начинает падать
потери
Тогда восстанавливается исходный высокий уровень
потерь и генерация прекращается
Чтобы получить максимальную пиковую мощность
импульса света надо обеспечить высокий уровень
исходных потерь и сделать быстрым насыщающийся
поглотитель
усиление
t
Отклик усиления, потерь и
мощности излучения лазера
Типичные величины импульсной мощности
в этом режиме:
Pмакс ~ 50-100 Вт

8. Как сделать насыщающийся поглотитель ? Основные практические решения

активный слой
Имплантация ионов
со стороны зеркала лазера
Прямое смещение
(накачка)
Обратное смещение
(поглощение)
- область насыщаемого поглощения
Дополнительный поглощающий слой
(волноводная мода проникает в этот
слой, что дает дополнительные потери)
Во всех этих вариантах:
Потери
Прямое смещение
(накачка)
Мощность света P

9. Методы измерения формы и длительности коротких импульсов света

I. Регистрация коротких импульсов света с помощью стрик-камеры (δ~10 пс):
лазер
входное
окно
выходной
экран
катод
поток электронов
высокоскоростная
отклоняющая система
II. Автокорреляционные измерения (δ < 1 пс) :
лазер
разделитель
пучка
нелинейный
кристалл LiIO3
фотоумножитель
отражающая
призма
(задержка)
сигнал второй
гармоники

10. Генерация коротких импульсов света в режиме модуляции усиления: регистрация с помощью стрик-камеры

DL5147-042; =648 nm; D ~ 4 nm
Ith=45 mA; 750 mW/mA
C 0 /R0: 2.7pF / 40; C 1/R1: 220pF / 7.5
4.4
4.3
1.5
4.2
I289
I249
I232
t, ns
4.1
1.0
Ток, A
U0 = 232 V
4.5
4.0
3.9
3.8
3.7
3.6
0.5
3.5
652
651
650
649
648
647
646
645
, nm
L289
L249
I232
350
300
250
200
t, ns
400
3.4
1.2
3.3
1.1
3.2
1.0
3.1
0.9
3.0
2.9
0.6
0.5
0.4
651
650
649
648
, nm
50
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Время, нс
0.7
2.7
2.5
652
100
0.8
2.8
2.6
150
U0 = 289 V
1.3
t, ns
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Опт. мощность, мВт
U0 = 249 V
3.5
0.0
647
646
645
0.3
652
651
650
649
648
647
646
, nm
Для получения одиночных импульсов света необходимо
выбирать амплитуду и длительность импульса тока накачки
мощность опт. импульса ограничена
645

11. Синхронизация мод в инжекционных лазерах

Принципиальная схема получения режима
синхронизации мод (реализуется в разных
типах лазеров):
Зеркало
Зеркало
Усиление
Насыщаемые
потери
Дисперсионный
элемент, n(λ)
Стационарный спектр излучения
лазера (многомодовый)
При наличии в резонаторе усиления, насыщаемых потерь и специального вида дисперсии
фазы разных продольных мод могут случайно синхронизоваться, что приводит к генерации
последовательности очень коротких импульсов света.
Основные черты режима:
• Длительность опт. импульса тем меньше, чем больше мод участвует в синхронизации
• Период повторения импульсов света равен времени двойного пролета резонатора

12. Режимы активной и пассивной синхронизации мод

P(t)
a(t)
g(t)
a
g
n(t)
P(t)
I(t)
Время
Время
Активная СМ: Подается
постоянный + переменный ток
fRF (2 времени пролета р-ра)-1
Пассивная СМ: Подается
постоянный ток
Нужно чтобы: da/dP > dG/dP

13. Эксперимент по синхронизации мод в инжекционном лазере

Структура продольных мод :
Схема эксперимента:
I=
I~
моды инж. лазера
моды внешнего рез-ра
Аттенюатор
Зеркало
Ф-П эталон
моды составного резонатора
Лазер
tp = 36 ps
Выход
Сигнал второй гармоники
Объектив
длительность импульсов ~ 0.56 пс
Синхронизация
широкого спектра мод
Синхронизация мод в пределах
одной моды инж. лазера
Задержка, 10-12 сек

14. Получение сверхвысокочастотных оптических сигналов в режиме синхронизации мод на сталкивающихся импульсах

усиление
Сигнал второй гармоники
Схематическое изображение структуры лазера
a, b и c - области поглотителя (обратное смещение)
Задержка, 10-12 сек
Частота повторения импульсов 200 ГГц !!