13.2 Одночастотные полупроводниковые лазеры с составным резонатором Фабри-Перо и их модификация с3 – полупроводниковые лазеры.

Если вы объединяете два резонатора Фабри-Перо в один резонатор посредством просветления внутренних граней резонаторов, то вы получаете один составной резонатор, в котором устанавливается усиление на одной продольной моде, которая удовлетворяет условиям стоячих волн в обоих резонаторах. Чаще всего это приводит к тому, что в полосу усиления материала активной области попадает только одна продольная мода или стоячая волна составного резонатора.

Рис.163. Схематическое изображение составного резонатора Фабри-Перо.

Ниже на рисунке приведена конструкция полупроводникового лазера с составным резонатором называемая С3- cavity в кубе. Общий резонатор Фабри – Перо состоит из трех резонаторов в нашем случае состоящим из резонаторов с длиной: 136 мкм, < 5 мкм и 121 мкм.

Рис. 164. Лазер с составным резонатором называемый - С3- cavity в кубе.

Такая конструкция позволяет при подборе токов накачки I a и I b получать одночастотную генерацию. Чем сильнее отличаются длины резонаторов, тем сильнее будут отличаться частоты на которых будет выполняться условие совпадения частот или стоячих волн составных резонаторов Фабри-Перо. Ниже рисунок иллюстрирует зависимость коэффициента отражения для составных резонаторов с разной длиной. Минимальная периодичность наступает при максимальном различии длин резонаторов.

Рис.165. Эффективный коэффициент отражения для двух составных резонаторов с длинами резонаторов 240 и 30 мкм и 240 и 210 мкм соответственно.

Главным недостатком такой конструкции является динамическая нестабильность, которая возникает при изменении величин токов накачки.

Рис. 166. Ватт-амперные зависимости лазеров типа С3 с нестабильностями одночастотного режима генерации.

Еще более четко прослеживается динамическая нестабильность при высокочастотной модуляции полупроводникового лазера С3. В частотной зависимости есть максимум, который характеризует частоту модуляции, при которой происходит выполнение условий совпадения частот продольных мод составного резонатора. В остальных случаях составной резонатор рассогласован.

Рис. 167. Частотная зависимость с резонансными максимумами лазера С3.

Решение этой проблемы было найдено в создании необычной конструкции полупроводникового лазера состоящего из лазера С3 работающего в одночастотном непрерывном режиме генерации при фиксированных токах накачки и оптического усилителя. Оптический усилитель можно модулировать независимо от лазера С3. Таким образом, была достигнута динамическая стабильность одночастотной генерации полупроводникового лазера с составным резонатором.

Рис.168. Конструкция из лазера С3 и оптического усилителя, обеспечивающая динамически стабильный режим генерации.

13.3. Одночастотные полупроводниковые лазеры с внешней дифракционной решеткой.

Резонатор полупроводникового лазера можно «открыть» просветлив одно из зеркал резонатора Фабри – Перо. В этом случае для достижения пороговых условий необходимо создать обратную связь за счет внесения дополнительного отражающего элемента.

Рис.169. Схема лазера с внешним не селективным и селективным по длине волны отражателем.

В качестве дополнительного отражающего элемента можно использовать плоское зеркало или дифракционную решетку. В случае внешней дифракционной решетки обратная связь осуществляется только на одной частоте или длине волны соответствующей длине волны отражения дифракционной решетки, определяемой углом поворота дифракционной решетки.

Рис.170. Полупроводниковый лазер с резонатором Фабри-Перо, коллиматором и внешней дифракционной решеткой.

Коллиматор необходимо использовать для сбора излучаемой оптической мощности, поскольку диаграмма направленности полупроводникового лазера имеет большую расходимость. Такая конструкция работает только с одномодовыми полупроводниковыми лазерами, поскольку с лазерами с большой шириной полоскового контакта невозможно получить параллельный оптический пучок. При фокусировке сферической оптикой будет две точки ограничивающие фокус.

Рис. 171. Иллюстрация растянутого фокуса в полупроводниковом лазере при использовании сферической оптики.

Рис. 172. Схематическое изображение полупроводникового лазера и коллемирующего элемента в виде градана(цилиндрической линзы с градиентным легированием и показателем преломления.

Применение внешнего диспергирующего элемента позволяет достичь одночастотной генерации и динамически стабильного режима генерации.

Недостатки: слишком жесткие требования к степени просветляющих покрытий и надежности оптических подвижек в конструктивном решении даже после фиксации элементов на эпоксидный клей.

Еще один пример сложной специфической конструкции полупроводниковых лазеров с внешней дифракционной решеткой.

Рис. 173. Конструкция из полупроводникового лазера: усилителя, поглотителя, модулятора и внешней дифракционной решетки.