RU8175U1 - Лазерный инжекционный излучатель - Google Patents

Abstract

Лазерный инжекционный излучатель, включающий контактную пластину с излучающим кристаллом и плату для закрепления на ней входной части металлизированного световода, съюстированного относительно излучающего кристалла, вывод излучения при работе которого предусмотрен через торец волновода и торцевую грань, перпендикулярно плоскости волновода, ближайшую к световоду, причем на данную грань и противоположную ей нанесены покрытия, при этом контактная пластина и плата, закрепленные друг с другом, размещены со стороны холодной поверхности микрохолодильника поверхностями, противоположными поверхностям установки излучающего кристалла и световода, отличающийся тем, что на входном торце световода дополнительно выполнена микролинза, в фокусе которой расположен торец волновода на ближайшей торцевой грани излучающего кристалла, на данную грань нанесено просветляющее покрытие с коэффициентом отражения от 10до отражения не более 0,5%, а на противоположную ей грань нанесено отражающее покрытие с отражением не менее 99,8%, на заданном расстоянии от входного торца световода в его сердцевине сформирована фотоиндуцированная решетка Брегга, плата выполнена в виде печкодержателя и микропечи, на последней в двух местах в области металлизации закреплен световод, при этом контактная пластина и плата неразъемно скреплены друг с другом и с холодной поверхностью микрохолодильника.

Description

ЛАЗЕРНЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к лазерным инжекционным излучателям с волоконным выводом излучения, которые могут быть эффективно использованы в когерентных высокоскоростных, широкополосных, магистральных линиях связи с частотным уплотнением каналов, для непосредственной оптической накачки празеодимовых (Рг ) лазерных усилителей, в качестве задающих и настроечных генераторов излучения неодимовых лазерных усилителей и т.д.

Для данных применений необходим одночастотный режим генерации излучателя, для чего часто используют полупроводниковые излучающие кристаллы и распределенный брегговский отражатель (РБО) в различных вариантах (активных и пассивных) формирования периодических вариаций показателя преломления 1-3. В случае, когда период решетки Л и постоянная распространения основной моды на определенной длине волны k связаны условием 2р(я.) 25т /Л на этой длине волны возникает связь мод, распространяющихся в прямом и обратном направлениях, т.е. появляется узкополосное отражение на данной длине волны л.

Технология выполнения РБО для инжекционных лазеров с распределенной обратной связью (РОС-ЛД) 1, либо для инжекционных лазеров с РБО (ЛД с РБО) 1 черезвычайно сложна, так как связана с получением субмикронной (десятых долей микрон) дифракционной решеткой на активном либо волноводном слоях внутри активного элемента, или примыкая с двух сторон к активной области на её продолжении (пассивные периодические структуры). Также это приводит к внесению нежелаемых с точки зрения надежности инжекционных лазеров дефектов в активную область лазера (для случая ЛД с РБО в меньшей степени). Кроме того при работе активного элемента практически невозможно застабилизировать параметры решетки (например, период решетки Л) из-за нагрева элемента при накачке лазера.

Известны инжекционные лазеры с выполнением субмикронной решетки Брегга на световолокне 2. При такой реализации решётки исключены недостатки, присущие инжекционным лазерам, связанные с внесением дополнительных дефектов в активный элемент и температурной нестабильностью параметров решётки. Однакотехнологическое

изготовление решётки и юстировка излучателя весьма затруднены и мало надежны.

Известно другое исполнение инжекционного лазера с элементом в виде суперлюминесцентного диода, торцевой микролинзои на входном торце световода и фотоиндуцированной решёткой Брегга в теле световода 3, Использование облучения, периодического по длине световода, позволяет формировать решетки периодически изменяющегося показателя преломления в облучаемом УФ - излучением световоде Они позволяют получить одночастотность с высокой спектральной уплотненностью. Однако конструкция излучателя, предложенная в работе 3, мало надежна и трудно юстируема.

Наиболее близким по технической сущности является лазерный инжекционный излучатель, включающий контактную пластину с излучающим кристаллом и плату для закрепления на ней входной части металлизированного световода, съюстированного относительно излучающего кристалла, вывод излучения при работе которого предусмотрен через торец волновода и торцевую грань, перпендикулярную плоскости волновода, ближайшую к световоду, причем на данную грань и противоположную ей нанесены покрытия, при этом контактная пластина и плата, закрепленные друг с другом, размещены со стороны холодной поверхности микрохолодильника поверхностями, противоположными поверхностям установки излучающего кристалла и световода 4

В данной конструкции для удобства юстировки излучающего кристалла и световода и для достаточно надежного крепления контактной пластины с платой их устанавливали на уголок-прокладку и все три детали скрепляли винтом. Входной конец световода был припаян к плате в одной области. Боковая поверхность световода полностью металлизирована. Входной торец свободен от металлизации.

в устройстве-прототипе 4 нет данных о получении одночастотного режима генерации. Механическое соединение деталей (винтом) недостаточно надежно, а наличие уголка-прокладки увеличивает путь отвода тепла, ухудшая тем самым теплоотвод.

Технической задачей настоящей полезной модели является упрощение и повышение надежности конструкции, достижение одночастотного выходного излучения с высоким спектральным уплотнением, повышение степени стабилизации длины волны излучения в диапазоне заданных токов накачки и температ.

Предложен лазерный инжекционный излучатель, в котором на входном торце световода дополнительно выполнена микролинза, в фокусе которой расположен торец волновода на ближайшей торцевой грани излучающего кристалла, на данную грань нанесено просветляющее покрытие с коэффициентом отражения от 10 до отражения не более 0,5%, а на противоположную ей грань нанесено отражающее покрытие с отражением не менее 99,8%, на заданном расстоянии от входного торца световода в его сердцевине сформирована фотоиндуцированная решетка Брегга, плата выполнена в виде печкодержателя и микропечи, на последней в двух местах в области металлизации закреплен световод, при этом контактная пластина и плата неразъёмно скреплены друг с другом и с холодной поверхностью микрохолодильника.

Существом настоящей полезной модели является новая конструкция лазерного инжекционного излучателя на основе излучающего кристалла либо лазерного, либо суперлюминесцентного диода с выводом излучения через торец волновода, эффективно согласованного с помощью линзы на торце одномодового световода с распределенным брегговским зеркалом на сердцевине световолокна, выполненного с помощью УФ - излучения. Известно, что германо-силикатное стекло сердцевины может менять показатель преломления под действием ультрафиолетового излучения 5. Использование облучения, периодического по длине световода, позволяет формировать решетки периодически изменяющегося показателя преломления в облучаемой УФ - излучением сердцевине световода. Предложенная конструкция позволяет упростить и повысить надежность конструкции, достигнуть одночастотное выходное излучение с высоким

спектральным уплотнением, а также высокую степень стабилизации длины волны излучения в диапазоне токов накачки и температур.

Настоящая полезная модель будет более понятна из Фиг 1-3.

На Фиг.1 схематически изображена конструкция предложенного лазерного инжекционного излучателя.

На Фиг.2 изображена спектральная зависимость лазерного излучения на выходе световода с ростом температуры окружающей среды при токе накачки 80 мА.

На Фиг.З изображена спектральная зависимость лазерного излучения на выходе световода с ростом температуры окружающей среды при токе накачки 110 мА.

Лазерный инжекционный излучатель 1 (см. Фиг.1), состоящий из излучающего кристалла 2, выполненного на основе лазерной гетероструктуры 3, содержащей активный слой 4, волноводные слои 5, 6 и змиттерные слои 7,8, кроме того имеющий контактный слой 9. подложку 10, омические контакты 11, 12. отражающее покрытие 13 на одной торцевой грани и просветляющее покрытие 14 на противоположной торцевой грани. При помощи припоя излучающий кристалл 2 закреплен на контактной пластине 15. Световод 16 жестко закреплен на микропечи 17 в местах 18 и 19 нанесения припоя. Микропечь 17 закреплена на печкодержателе 20, который жестко скреплен с контактной пластиной 15. Оба последние установлены на холодной поверхности 21 микрохолодильника 22 и жестко закреплены на ней. На сердцевине 23 световода 16 нанесено РБЗ 24. На торце световода 16 выполнена мифолинза 25.

Предложенный нами лазерный инжекционный излучатель включает часть элементов, известных из прототипа 4, часть, известных из других источников, и их новую совокупность, что обусловило новизну предложения. При изготовлении предложенной конструкции используются широко известные, воспроизводимые технологии роста гетероструктур, сборки лазерного инжекционного излучателя. Поэтому предложенное устройство является промышленно применимым.

(СЛД), изготовленные из структур 3 на основе напряженных InGaP/InGaAsP квантоворазмерных слоев с использованием МОС-гидридной эпитаксии на подложке 9 n-GaAs б с мезаполосковой структурой, излучающие на длине волны я, равной 1,06 мкм 7. СЛД 2 длиной 600 мкм были смонтированы мезаполоском на медную контактную пластину 15 при помощи индиевого припоя. На торцевые грани (торцы волновода) СЛД 2 были нанесены покрытия: на одну - отражающее 12 с отражением 99,8%, а на противоположную, названную передней гранью, - просветляющее 13 с отражением 0,5%,.

Нами был выбран одномодовый световод 16 5 с сердцевиной 23, диаметром 5 мкм, легированной германием и диаметром оболочки 125 мкм. На торце световода 16 сформирована микролинза 25, имеющая радиус скругления менее 5 мкм и просветляющее покрытие с отражением не более 0,5%. На расстоянии 10 мм от края микролиизы 25 методом фотоиндуцирующего экспонирования ультрафиолетового лазера с большой длиной когерентности через маску была создана область РБО 24 с длиной решетки 10 мм и шагом 1,06 мкм. Волоконный световод 16 был металлизирован вакуумным напылением Gr и Ni и гальваническим осаждением Аи.

Для введения излучения с передней фани СЛД 2 из торца волновода в сердцевину 23 световода 16. Последний был съюстирован относительно торца волновода СЛД 2 по максимальному значению мощности выходного излучения. На расстоянии порядка 25 мкм от передней грани СЛД 2 был закреплен с помощью припоя, нагретого на микропечи 17, напаянной на печкодержателе 20.

Контактная пластина 15 и печкодер 1«тель 20 были скреплены между собой и с холодной поверхностью 21 микрохолодильника 22, управляемого схемой термостабилизации.Температуру контактной пластины 15

поддерживали при 20° с точностью 0,5°С. Микрохолодильник 22 был установлен в плоский DIP-корпус и герметизирован крышкой.

Лазерные излучатели 1, сформированные соединением СЛД 2 и РБО 24 в сердцевине 23 световода 16, имели следующие параметры. В зависимости от эффективности связи кристалла СЛД 2 и РБО 24 порог генерации и мощность излучения на выходе световода 16 изменялись. При

максимальной эффективности связи порог генерации составлял порядка 25 мА, мощность излучения 10 мВт при рабочем токе накачки 55 мА. Нами было определено, что эффективность ввода излучения в световод 16 и связи с

решеткой 24 составила 60%. Спектр излученияT a выходе световода 16 представлял собой одну частоту с длиной волны генерации - 1,0612 мкм и сохранялся неизменным вплоть до 10 мВт В диапазоне температур ( 50°С) и токов накачки (80мА, 110 мА) одночастотный режим генерации, длина волны и полуширина линии излучения сохранялись (см. Фиг.2 и Фиг.З). Полуширина линии излучения была оценена на уровне менее 1 мГц. Однако, как видно из Фиг.З, при температуре 50°С и токе накачки 110 гиД спектр излучения излучателя 1 с РБО 24 на сердцевине 23 волокна 16 имел полуширину 532 А, что свидетельствует о том, что решетка 24 практически перестала являться селектирующим элементом и лазерный излучатель 1 находится до порога генерации в суперлюминисцентном режиме.

Таким образом одночастотные лазерные излучатели с РБО на сердцевине одномодового волокна обладают хорошими и стабильными спектральными характеристиками в диапазоне токов и температур, достаточно воспроизводимы и имеют надежную конструкцию и большие перспективы в применении.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1.П.Г. Елисеев «Полупроводниковые лазеры и преобразователи, Итоги науки и техники, серия Радиотехника, т.14, часть 1, раздел 5.4, ее. 133-134,

2.Патент США 5659559, Н 01 S 3/10, 1997,

3.R.J. Campbell et all, Electronics Letters (1996), Vol.32, No.2, pp.119-120,

4.Полезная модель РФ N1579, Н 01 S 3/18, 1994 - прототип,

5.Е.М. Дианов и др., «Квантовая электроника (1996), т.23, N 12, ее.10541059,

6.Е.Г. Голикова и др., «Квантовая электроника (1995), т 22, N 2, ее 105-107,

7.В.П. Дураев и др., «Квантовая электроника (1996), т.23, N 9, се.785-786.

, е 1ЛНГеНС1Л& ОСТЬЛ Ре, tefTtf.

Claims (1)

1. Лазерный инжекционный излучатель, включающий контактную пластину с излучающим кристаллом и плату для закрепления на ней входной части металлизированного световода, съюстированного относительно излучающего кристалла, вывод излучения при работе которого предусмотрен через торец волновода и торцевую грань, перпендикулярно плоскости волновода, ближайшую к световоду, причем на данную грань и противоположную ей нанесены покрытия, при этом контактная пластина и плата, закрепленные друг с другом, размещены со стороны холодной поверхности микрохолодильника поверхностями, противоположными поверхностям установки излучающего кристалла и световода, отличающийся тем, что на входном торце световода дополнительно выполнена микролинза, в фокусе которой расположен торец волновода на ближайшей торцевой грани излучающего кристалла, на данную грань нанесено просветляющее покрытие с коэффициентом отражения от 10³ до отражения не более 0,5%, а на противоположную ей грань нанесено отражающее покрытие с отражением не менее 99,8%, на заданном расстоянии от входного торца световода в его сердцевине сформирована фотоиндуцированная решетка Брегга, плата выполнена в виде печкодержателя и микропечи, на последней в двух местах в области металлизации закреплен световод, при этом контактная пластина и плата неразъемно скреплены друг с другом и с холодной поверхностью микрохолодильника.