Что же происходит внутри резонатора?

В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.

Одномодовые лазеры

Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения.

В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр:

1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры),(DFB – Distributed Feedback);

2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер),(DBR – Distributed Bragg Reflector);

В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера

Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой n InP и слоем p InGaAsP. Свет дифрагирует на щелях решётки под углом j. Оптическое излучение из активного слоя попадает на ДР, преломляется ею под углом j, отражается от слоя n InP, затем через щели поступает к слою p InGaAsP, отражается от него и т.д. Из курса физики известно, что для дифракционной решётки: sinj = m × / d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн . Поэтому в таком резонаторе стоячая волна образуется только для главной моды. При этом побочные моды подавляются на 20÷40 дБ по отношению к основной. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

Рисунок 3.15 – РБО-лазер

Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область.

Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн.

Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM).

Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.

Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера

Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ

Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».

Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо

В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом; уменьшается рабочий ток лазера.