Методы создания обратной связи

В 1958 г. (т.е. еще за два года до появления лазеров) А. М. Прохоров предложил использовать открытые резонаторы, образованные двумя зеркалами, для создания приборов квантовой электроники субмиллиметрового диапазона длин волн. Несколько позже аналогичное предложение было сделано в США Р. Дикке применительно к ИК (инфракрасному) диапазону. Благодаря высокой селективности и относительной простоте изготовления открытые резонаторы надолго стали основным видом резонансных систем в квантовой электронике оптического диапазона.

С развитием технологии изготовления диэлектрических волноводов появились новые типы резонаторов и лазеров на их основе, это волноводные лазеры на основе планарных волноводов и лазеры на основе волоконных световодов, называемые волоконными лазерами.

В волноводных и волоконных лазерах световые волны распространяются вдоль одного выделенного направления и отражаются от отражателей, формирующих резонатор. В первых волноводных лазерах отражателями являлись сколотые торцы волноводов или волокон. Позднее была обнаружена возможность создания обратной связи за счет отражения в периодических структурах. Так появились полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью или РОС-лазеры. По мере дальнейшее развитие технологии полупроводниковых лазеров были созданы лазеры с распределенными брэговскими отражателями. Очень эффективным оказалось использование в качестве отражателей периодических структур и в волоконных лазерах.

В волноводных резонаторах световая волна ограничена как в продольном, так и в поперечном направлении структурой волновода и отражателями. Пространственная структура мод волноводных резонаторов значительно отличается от мод открытых резонаторов и совпадает с поперечной структурой мод распространения соответствующих волноводных мод. Поэтому излучение волоконных лазеров легко вводить в телекоммуникационные волоконные световоды. Аналогично, волноводные лазеры на основе планарных волноводов органично объединяются с другими элементами интегральной оптики. Именно эти свойства обеспечивают бурное развитие волноводных и волоконных лазеров.

В полупроводниковых лазерах с распределенными брэговскими зеркалами и в РОС лазерах световая волна распространяется вдоль усиливающего слоя (p-n перехода). В лазерах с вертикальным резонатором световая волна распространяется перпендикулярно плоскости усиливающего слоя (для обозначения лазеров с вертикальным резонатором и в западной и в отечественной технической литературе используется аббревиатура VCSEL от английской фразы vertical cavity surface emitting laser). Во всех трех указанных выше типах лазеров положительная обратная связь обеспечивается за счет отражения от периодической вдоль одного направления структуры. Такие структуры в настоящее время стали называть одномерными фотонными кристаллами. Хорошо известное свойство периодической структуры отражать свет определенного спектрального диапазона можно рассматривать как наличие запрещенной зоны.

Рис. 11.1.1. Запрещенная зона одномерного фотонного кристалла, образованного периодическими l/4 слоями GaAs/Al_xO_y. Величина запрещенной зоны показана стрелкой.

Создание двумерных (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов открыло возможность конструировать объемные микроминиатюрные резонаторы и лазеры на их основе.

Фотонные кристаллы представляют собой периодические структуры из двух материалов с различными показателями преломления. Схематично структура фотонных кристаллов показана на рис. 11.1.2. Существуют природные фотонные кристаллы – опалы, но большинство фотонных кристаллов создано человеком с использованием новых достижений в области нанотехнологий.

Рис. 11.1.2 Структура двумерных и трехмерных фотонных кристаллов.

Обычно постоянная решетки фотонного кристалла равна половине длины световой волны. В этом случае взаимодействие световых волн с периодической решеткой приводит к интерференционному сложению амплитуд или к интерференционному гашению. (Будем называть интерференционное сложение конструктивной интерференцией, а гашение – деструктивной интерференцией). Важно учитывать, что оптические свойства можно контролировать при изготовлении фотонных кристаллов.

В трехмерном фотонном кристалле с трехмерной запрещенной зоной волны с энергией фотона, лежащей в запрещенной зоне, распространяться не могут ни в каком направлении. Это означает, что такой 3D фотонный кристалл является идеальным «трехмерным» зеркалом, отражающим падающие на него под любым углом световые лучи. Если создать в 3D фотонном кристалле дефект фотонной кристаллической решетки, то в области этого дефекта могут быть локализованы фотоны, энергия которых лежит в запрещенной зоне. Иными словами, дефект в фотонном кристалле это объемный микрорезонатор, который может быть использован для создания лазера с очень низким порогом генерации.