Лазеры сверхкоротких световых импульсов - Херман Й.
Скачать (прямая ссылка):
Согласование источников излучения с оптическими волноводами в гибридных ОИС. В гибридных ОИС источник излучения и стыкуемый с ним OB изготовлены из различных материалов и имеют существенно различные показатели преломления. Поэтому одним из наиболее подходящих методов согласования СИД или полупроводникового лазера с OB в гибридных ОИС является торцевая стыковка волноводных структур.
.126 Исследование торцевой стыковки одномодового (по поперечным индексам) полупроводникового лазера и планарного OB со ступенчатым профилем показателя преломления показывает, что эффективность ввода излучения в такой OB, найденная вычислением интеграла перекрытия полей (5.15) вдали от точки отсечки волновода равна [70]
л (J_y A3l-MTi- (^LV1-2X
,пх \яя J Ал пв + пл1 \яАд J J
X cos. (?-) sin. (й.) . (5.48)
где /їв, H11 — толщина OB и активной области лазера; пв и пл— их показатели преломления соответственно; п= 1, 2, 3, ... — индекс моды OB. Из (5.48) следует, что в том случае, когда лазер работает на основной моде, в OB возбуждаются только моды с нечетными индексами п и эффективность ввода излучения быстро убывает с увеличением индекса моды OB. Максимально достигнутая в эксперименте эффективность ввода с учетом поглощения в OB составляет 80%. Для коллимирования излучения лазера в плоскости планарного волновода применяют геодезические и другие типы линз, сформированных непосредственно в OB.
С практической точки зрения большой интерес представляет стыковка полупроводниковых лазеров с OB из ниобата лития, на основе которых разрабатывается широкий класс активных ИО-устройств и гибридных ОИС. Обычно толщина излучающей области лазера на двойной гетероструктуре не превышает 0,5 мкм, а поперечные размеры области локализации поля моды в диффузионных OB на основе LiNbO3 составляют 3... 5 мкм. Типичные значения эффективности ввода излучения достигают 20...50% в зависимости от параметров OB и применяемых лазеров [154, 155]. Максимальная эффективность свыше 68% достигнута при стыковке OB и полупроводникового лазера с раздельным ограничением оптического поля и носителей тока, в которой полуширина распределения поля основной моды на зеркале резонатора составляла 0,6 ... 0,9 мкм.
При расчете эффективности ввода излучения в зависимости от продольных и поперечных смещений торцов лазера и OB относительно друг друга чаще всего пользуются простой моделью, основанной на приближении гауссовских пучков (см. выражение (5.23)). Хотя в этой модели не учитьквается асимметрия распределения поля основной моды градиентного волновода, для лазерных диодов и диффузионных OB, применяемых на практике, модель дает хорошее согласие с экспериментом [151]. Ошибка в определении эффективности ввода излучения т]о, возникающая в этом случае, не превышает 4% при отношении полуширины мод OB и лазера шв/шл = 1 и убывает с ростом этого отношения: при и>в/аул>2 ошибка уже не превышает 1%. Таким образом, рассогласование мод по их ширине оказывается существеннее асимметрии.
.127 Аппроксимация поля лазера эллиптическим гауссовым пучком позволяет более точно рассчитать эффективность его стыковки с трехмерным OB. Анализ влияния продольных и поперечных смещений лазера и OB относительно друг друга на эффективность связи показывает, что так же, как и при стыковке ВС с канальными н полосковыми OB, она очень чувствительна к поперечным смещениям и намного менее чувствительна к продольным. При стыковке полупроводникового лазера с OB со ступенчатым профилем показателя преломления эффективность ввода излучения Tjo в зависимости от поперечного смещения Ал: изменяется примерно как cos2 (лАх/hji) в плоскости ху. Зависимость rjo (Ajc) оказывается несимметричной относительно максимума функции, и существует определенное оптимальное расстояние между плоскостью поверхности OB и оптической осью лазера. Интервал допустимых поперечных смещений 2а, в пределах которого rjo уменьшается в 2 раза от максимального значения, с увеличением продольного смещения Az торцов OB и лазера от О до 5...10 мкм почти не изменяется, а затем растет практически линейно с увеличением Az. Соответствующая зависимость 2a(Az) в приближении гауссовских пучков приведена на рис. 5.10. Критерием допуска на продольные смещения торцов может служить величина Аго (см. выражение (5.24)).
Интеграл перекрытия rjo довольно мало изменяется при угловом смещении осей лазера и OB вплоть до углов, определяемых соотношением
Например, для Я=0,86 мкм, яв = 2,0, Ab = 1,5 мкм имеем 6о~14°. При стыковке лазера с диффузионным OB при увеличении угла 9(9>0) амплитуда возбуждающего поля медленнее спадает по направлению к подложке OB, чем к его поверхности, так что распределения полей в этом случае согласуются несколько лучше, чем при 9 = 0, однако фаза возбуждающего поля быстрее изменяется на краях волновода, что приводит к уменьшению интеграла перекрытия полей мод. Обратная ситуация имеет место при 8<0.
tg Є0 = X0/пв h,
¦в•
(5.49)
26, мкм
W
4
6
2
6
Рис. 5.10. Зависимость интервала допустимых поперечных смещений 2д полупроводникового лазера и OB (одномодовых волноводных структур) относительно друг друга в направлении, перпендикулярном плоскости р—«-перехода, в пределах которого т)о уменьшается в 2 раза, от продольного смещения Дг их осей в приближении гауссовых пучков для Wa = =0,4 мкм, Wa=I,4 мкм [70] (точки — экспериментальные данные)
