15.3 Синхронизация мод в полупроводниковом лазере.
Рис. 222. Зависимость интенсивности излучения полупроводникового лазера при непрерывной накачке постоянным током с высоким временным разрешением.
Мощность полупроводникового лазера в зависимости от времени с высокой степенью разрешения приведена на рисунке выше. Происходит это в следствие того, что излучение продольных мод резонатора Фабри – Перо не синхронизировано. Характерным в этой зависимости является период TR – это время пролета фотона по всей длине резонатора Фабри - Перо и обратно. За это время происходит высвечивание всех продольных мод резонатора Фабри-Перо, где бы не родился первый стимулированный фотон, породивший данную моду. В то же время, величина обратная времени пролета фотона через резонатор Фабри –Перо и обратно есть частотный сдвиг между продольными модами резонатора Фабри-Перо (δf).
(98)
где vgr – групповая скорость, L - длина резонатора.
Рис. 223. Спектр продольных мод полупроводникового лазера в частотном диапазоне.
Зависимость интенсивности продольной моды полупроводникового лазера во времени принимает следующий вид:
(99)
где PN –мощность или квадрат амплитуды интенсивности N – моды, fN частота моды и φN - фаза моды. Ниже приведено выражение для полной мощности излучения полупроводникового лазера.
(100)
Временная зависимость полной мощности полупроводникового лазера принимает следующий вид:
(101)
Фазы продольных мод различаются, поскольку каждая из этих мод со своей частотой появилась независимой точке по длине резонатора Фабри-Перо, в независимый момент времени и со своей фазой. Поэтому мгновенное распределение интенсивности излучения мод резонатора Фабри-Перо приобретает хаотический вид.
Рис. 224. Мгновенное распределение интенсивности излучения мод резонатора Фабри-Перо.
Если представить себе, что продольные моды синхронизированы, то есть имеют одну фазу, то мгновенное распределение интенсивности излучения мод резонатора Фабри-Перо приобретает упорядоченный вид.
Рис.225. Мгновенное распределение интенсивности излучения мод резонатора Фабри-Перо синхронизованных по фазе.
В этом случае в полупроводниковом лазере имеет место интерференция электромагнитных волн соответствующих стоячим волнам резонатора Фабри-Перо и происходит пульсация интенсивности излучения полупроводникового лазера с периодом следования TR.
При длине резонатора один миллиметр частота повторений импульсов синхронизованного по фазе полупроводникового лазера будет 40 ГГц. Что с одной стороны удобно для высокоскоростных линий связи и чрезвычайно сложно по аппаратурному оснащению.
Для получения на практике синхронизации мод полупроводникового лазера осуществляют активную синхронизацию мод. Внешним устройством модулируют усиление или потери в полупроводниковом лазере с временным периодом равным времени пролета фотона в резонаторе лазера.
Рис. 226. Зависимость модуляции оптических потерь (ά) в полупроводниковом лазере с периодом пролета фотона в резонаторе (TR).
Минимуму потерь соответствует испускание светового импульса полупроводникового лазера. Аналогичная картина наблюдается при модуляции усиления. Только испускание импульса света происходит при достижении максимума усиления с периодом времени пролета фотона через резонатор. В случае синхронизации всех продольных мод, длительность импульса (τ) обратно пропорциональна спектральной ширине полосы лазерного усиления: τΔf =C. Точное значение коэффициента пропорциональности С зависит от формы импульсов. Например, в случае гауссовой формы С = 0.44.
Мощность в пике импульса лазера с синхронизацией мод может быть оценена как Рпик ~ <Р> TR / τ. Поскольку чаще всего τ << TR пиковая мощность, оказывается существенно превышает среднюю мощность излучения лазера. Таким образом, в результате синхронизации мод средняя мощность излучения перераспределяется в последовательность сверх коротких импульсов. Спектральная ширина Δf может быть выражена через число синхронизованных продольных мод (Δf~ N δf), откуда длительность импульса τ ~ TR/N. Следовательно, пиковая мощность импульса возрастает во столько раз по сравнению со средней мощностью, сколько продольных мод засинхронизовано: Рпик ~ N <Р>.
Пассивная синхронизация мод чрезвычайно простой метод получения серии коротких и мощных импульсов. Для этого используют насыщающийся поглотитель внутри резонатора Фабри-Перо. Чаще всего это секция электрически изолированная от основного усиливающего волновода или секция имплантированного участка волновода и активной области полупроводникового лазера. При пропускании тока через секцию усилителя секция поглотителя просветляется и наступает испускание светового импульса. После сброса пороговой концентрации носителей заряда поглощающая секция начинает вновь поглощать и процесс повторяется. Если время за которое наступает просветление поглощяющей секции соответствует времени пролета фотона в резонаторе, то выполняется условие наступления синхронизации мод.
Лекция 16. Теорема Лагранжа и оптические системы на основе полупроводниковых лазеров.