Анотація до роботи:

Іванов П.С. Вплив модового складу на робочі характеристики напівпровідникових лазерів з вертикальним резонатором. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико – математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2004.

У роботі подано теоретичний опис впливу модового складу випромінювання напівпровідникових лазерів з вертикальним резонатором, оксидним вікном і квантоворозмірним активним шаром на їх статичні та динамічні характеристики. Для цього було модифіковано деталізовану дифузійно–динамічну модель за рахунок введення аналізу в термінах концентрацій, що поліпшило збігання чисельних методів і скоротило час розрахунку. З використанням даної моделі було досліджено модуляційні характеристики лазера з вертикальним резонатором в одно – і багатомодових умовах і показано, що одномодовий лазер має більш широку смугу модуляції, а створення одномодових умов відомими методами виражається в зменшенні потужності випромінювання. Таким чином, виявлено фактори, що обмежують збільшення дальності і швидкості передавання інформації у волоконно–оптичних мережах зв’язку, які використовують такі лазери, та вказано на необхідність пошуку альтернативного методу поперечного обмеження оптичного поля в резонаторі.

Досліджена можливість використання хвилеводного каналу, який утворено внесенням просторового дефекту в двомірному фотонному кристалі в резонатор досліджуваного лазера. Розглянуто два типи просторових дефектів у двомірному фотонному кристалі, утворених пропуском одного чи декількох отворів, та доведено що дефект першого типу найбільш ефективний при його використанні для утворення одномодових умов в таких лазерах.

Запропоновано і використано методику, яка дозволила знайти умови розмежування одно- і багатомодових умов в досліджуваних лазерах, а також отримано параметри двомірного фотонного кристала, які забезпечують ефективне утворення одномодових умов випромінювання.

Розроблено комплекс рішень і рекомендацій щодо утворення одномодових умов у лазері з вертикальним резонатором та у хвилеводних каналах, утворених просторовим дефектом у двомірному фотонному кристалі.

Наведено результати вимірювання ватт - амперних і спектральних характеристик лазерів з вертикальним резонатором, оксидним вікном та двомірними фотонними кристалами, які були виготовлені з використанням даних, отриманих теоретично. Експериментальні результати підтвердили коректність розробленої теоретичної моделі.

Отримані результати були використані при розробці напівпровідникових лазерів з вертикальним резонатором, оксидним вікном та двомірним фотонним кристалом, а також можуть бути застосовані у проектуванні одномодових напівпровідникових лазерів з вертикальним резонатором і поясненні явищ, які спостерігаються при практичному дослідженні таких лазерів.

Таким чином, у дисертаційній роботі вирішена задача стосовно теоретичного опису впливу модового складу випромінювання на статичні та динамічні просторові характеристики лазерів з вертикальним резонатором і оксидним вікном в одно– і багатомодових режимах випромінювання. Встановлено можливість використання двомірного фотонного кристала з просторовим дефектом для створення одномодового режиму в лазерах цього типу. Основні теоретичні і практичні результати роботи такі:

1. Вперше в результаті введення в деталізовану дифузійно-динамічну модель аналізу в термінах концентрації носіїв заряду і фотонів була досліджена модуляційна характеристика окремих мод НПЛ з вертикальним резонатором і оксидним вікном, НПЛ в цілому, та просторова залежність даної характеристики. При цьому було скорочено час розрахунку, покрашене збігання і розширена можливість використання моделі.

2. Показано, що основна оптична мода має більш широку смугу модуляції (на 0,5 ГГц) порівняно з модою , і отже, для подальшого збільшення смуги модуляції НПЛ з вертикальним резонатором і оксидним вікном необхідно створити одномодові умови в резонаторі НПЛ.

3. Показано, що використання існуючого методу створення одномодових умов НПЛ з вертикальним резонатором і оксидним вікном, який передбачає зменшення розміру оксидного вікна, ускладнюється проявом ефекту розігріву активної зони. У свою чергу, це приводить до зменшення потужності випромінювання даних НПЛ і скорочує дальність передачі інформації в ВОСП. Тому було зазначено, що для отримання потужних одномодових НПЛ з вертикальним резонатором, необхідно шукати нові альтернативні засоби створення одномодового режиму, які не обмежують апертуру інжекції струму.

4. Вперше на основі розрахунку - діаграм зроблено аналіз поперечних мод в хвилеводній структурі, утвореній просторовим дефектом в двомірному фотонному кристалі. Доведено, що в залежності від величини показника заломлення матеріалу ФК і його геометричних параметрів, обмеження оптичного поля в дефектній зоні можливо як за рахунок повного внутрішнього відбивання від меж напівпровідник – повітря, так і внаслідок виявлення ефекту забороненої зони для фотонів. Установлено, що саме перший із згаданих механізмів обмеження оптичного випромінювання обумовлює одномодовий режим в дефекті двомірного ФК, що має місце при співвідношенні діаметра отворів до відстані між ними меншим ніж 0,7.

5. Досліджене ефективне значення показника заломлення ФК, оптичні властивості якого забезпечують зменшення кількості оптичних мод даного хвилеводу. Показано, що досліджувані хвилеводні структури є одномодовими в широкому інтервалі довжин хвиль від 1,4 до 14 мкм, що в багато разів перевищує спектр підсилення активної зони, який, як правило, складає 0,2-0,4 мкм.

   Вперше запропонована, обґрунтована і використана оригінальна методика визначення одномодових умов в НПЛ з вертикальним резонатором і дефектною зоною в ФК, утвореною пропусканням одного отвору при виробництві ФК. На основі даної методики вперше отримана “карта” одномодових умов резонатора досліджуваного НПЛ для двох довжин хвиль 0,98 мкм і 1,3 мкм, визначена залежність розміру плями основної оптичної моди від геометричних параметрів ФК. Вперше встановлено, що достатньо виготовити ФК з трьома кільцями отворів навколо дефектної зони ФК для його ефективної дії при мінімальній площі ФК.

   Вперше чисельно показано, що хвилеводний канал, який утворено просторовим дефектом в двомірному ФК (дефект отримано внаслідок пропускання одного отвору в ФК), як і отворові оптичні волокна, є одномодовим в усьому діапазоні довжин хвиль для відношення діаметра отворів і відстані між ними меншого, ніж визначене порогове значення. Визначено, що для досліджених структур значення цього відношення складає . Таким чином вказано, що такий просторовий дефект в ФК може бути практично виготовлений та використаний для утворення одномодових НПЛ з вертикальним резонатором.

   8. Вперше чисельно досліджено два типи дефектних зон ФК, утворених пропусканням одного чи більшої кількості отворів в ФК. Показано, що в дефектній зоні першого типу одномодові умови можуть бути отримані при більших розмірах отворів, або при більшій відстані між ними. Це говорить про доцільність використання просторових дефектних зон першого типу при практичному виготовленні НПЛ з вертикальним резонатором, оксидним вікном і ФК, оскільки ФК з більшим розміром отворів простіше реалізувати на практиці.

   9. Експериментально досліджені НПЛ з вертикальним резонатором, оксидним вікном і двомірним фотонним кристалом, які були спеціально виготовлені. Порівняння експериментальних результатів з теоретично встановленими умовами одномодового режиму показало їх добре збігання та довело справедливість розробленої теоретичної моделі.

   10. Показана можливість збільшення смуги модуляції та потужності випромінювання НПЛ з вертикальним резонатором внаслідок керування модовим складом випромінювання при використанні оксидного вікна і двомірного фотонного кристала з пропусканням одного отвору зі значенням відношення діаметра отворів до відстані між ними .

Публікації автора:

1. Ivanov P.S., Lysak V.V., Sukhoivanov I.A. Advanced model for simulation of surface-emitting quantum-well lasers // International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. – 2001. – Vol. 14, № 4. - P. 379-394.

2. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A., Lysak V.V. Extended Model of a VCSEL with Non-Uniform Laser Structure // Phys. Stat. Sol. (a). – 2001. – Vol. 188, № 3. - P. 961–966.

3. Иванов П.С., Сухоиванов И.А. Динамическая модель полупроводникового лазера с многочисленными квантоворазмерными слоями // Радиоэлектроника и информатика. – 1999. – №4. – С. 31-34.

4. Иванов П.С., Унольд Х., Лысак В.В., Сухоиванов И.А. Фотонные кристаллы в оптических коммуникационных системах // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – №2. – С. 34 – 37.

5. Иванов П.С., Х. Унольд, Шулика А.В., Кублик А.В., Сухоиванов И.А. Локализация света в дефекте полупроводникового фотонного кристала // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – №3. – С. 42 – 45.

6. Ivanov P.S., Lysak V.V., Sukhoivanov I.A. Mode Characteristics of Oxide-Confined VCSELs // Proc. of SPIE: ICONO2001: Nonlinear Optical Phenomena and Nonlinear Dynamics of Optical Systems. – 2002. - Vol. 4751. - P. 572-576.

7. Иванов П.С. Условия одномодовой генерации в лазерах с вертикальным резонатором и двумерным фотонным кристаллом // Радиотехника. – 2002. - №129. – С. 132 – 138.

8. Иванов П.С., Лысак В.В. Численные решения системы скоростных уравнений для полупроводниковых GaAs гетеролазеров: расчет и анализ // Сборник трудов 1-го международного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». – Харьков. – 1997. – C. 128.

9. Иванов П.С. Перенос носителей в многоквантовослойных полупроводниковых лазерах // Збірник наукових праць 3-го міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь у XXI ст.». – Частина 1. – Харків. – 1999. – С. 156 – 160.

10. Иванов П.С., Криг М., Фройдэ В., Сухоиванов И.А. Математическая модель полупроводникового лазера с многочисленными квантовыми слоями // Сб. научных трудов 6-ой международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации“. – Туапсе (Украина). – 2000. – С. 576-577.

11. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A., Lysak V.V., Kublik A.V. Thermal properties of semiconductor oxide-confinement vertical-cavity lasers // Proc. International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2000). – Kharkiv (Ukraine). - 2000. – P. 53 – 56.

12. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A. Diffusion dynamic model for study of nonuniform carrier distribution effects in VCSEL // Conf. on laser and electro - optics Europe (CLEO’2000). – Nice (France). - 2000. – Paper CWF87.

13. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A. Calculation of temperature characteristics in the oxide confined VCSEL including non-uniform carrier distribution // Proc. international conf. on transparent opt. networks (ICTON’2000). – Gdansk (Poland). – 2000. – P. 213 – 216.

14. Сухоиванов И.А., Иванов П.С., Лысак В.В. Применение расширенной модели квантоворазмерного лазера для описания поведения VCSEL // Труды III международной конференции по квантовой электронике. – Минск (Беларусь). – 2000. – С. 45-48.

15. Sukhoivanov I.A., Lysak V.V., Ivanov P.S. Modeling of mid-infra red VCSEL // Proc. European Semicond. Workshop. – Germany (Berlin). – 2000. – P. 14-16.

16. Ivanov P.S., Degtev A., Nefedov I.S., Morozov Yu.A., Sukhoivanov I.A. Characteristics of Lasers with Photonic Band Gap Structures and Microcavities // Proc. international workshop on laser and fiber-optical networks modeling (LFNM'2001). – Kharkiv (Ukraine). – vol. 1. - 2001. - P. 2-4.

17. Ivanov P.S., Vukusic J., Rouillard Y., Perona A., Joullie A., Sukhoivanov I.A. Mode characteristics of MQW lasers // Proc. Int. Workshop on Laser and Fiber-Opt. Networks Modeling (LFNM'2001). - Kharkiv (Ukraine). – vol. 2. - 2001. - P. 69-72.

18. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A., Lysak V.V., Prigoda A.A., Kokhan Y., Zaslonkin Y.A., Shulika A.V., Kublik A.V. LaserCAD III - Software Package for Quantum Well Laser Simulation // Proc. VI international conference on experience of designing and application of CAD systems in microelectronics, Slavsko (Ukraine). – 2001. – P. 2 – 4.

19. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A., Lysak V.V. Extended model of VCSEL with non-uniform laser structure // Proc. int. workshop microcavity light sources. – Paderborn (Germany). – 2001. - P. 16.

20. Sukhoivanov I.A., Ivanov P.S. Spatial characteristics of oxide-confined VCSEL in single and multimode conditions // Proc. int. workshop on optical waveguide theory and numerical modeling. – Paderborn (Germany). – 2001. - P. 20.

21. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A., Kuzemin A.Ya. LaserCADIII – software package for laser simulation // Proc. conf. of Ukr. Association of Distant Educat. - pp. 253-257.

22. Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A. Mode characteristics of oxide-confined VCSELs // Proc. international conf. on coherent and nonlinear optics (ICONO’2001). – Minsk (Belarus). – 2001. - Paper FT37.

23. Ivanov P.S., Unold H.J., Michalzik R., Mederer F., Maehnss J., Ebeling K.J., Sukhoivanov I.A. Theoretical investigation of transverse modes in photonic crystal surface-emitting lasers // Proc. 4nd international conf. transparent opt. networks (ICTON’2002), Warshaw (Poland). – 2002. – Vol. 1. - P. 136-139.

24. Lysak V.V., Sukhoivanov I.A., Ivanov P.S., Marciniak M. Dynamics of oxide confinement vertical cavity semiconductor lasers // Proc. international conf. on transparent optical networks (ICTON’2002). – Warshaw (Poland). – 2002. - Vol. 2. – P. 136-139.

25. Ivanov P.S., Unold H.J., Michalzik R., Maehnss J., Ebeling K.J., Sukhoivanov I.A. Single-mode conditions in photonic crystal vertical cavity surface-emitting lasers // Proc. international workshop on laser and fiber-optical networks modeling (LFNM’2002). – Kharkiv (Ukraine). – 2002. – P. 141 – 144.

26. Sukhoivanov I.A., Kublik A.V., Lysak V.V., Ivanov P.S. Photonic crystals: application in laser physics // International conference on physics of laser crystals (ICPLC’2002). – Kharkiv (Ukraine) . – 26.08.2002 – 02.09.2002. http://icplc2002.narod.ru .

27. Сухоиванов И.А., Иванов П.С., Унольд Х., Кублик А.В., Лысак В.В. Одномодовые полупроводниковые лазеры на основе фотонных кристаллов для быстродействующих полностью оптических систем // Труды 1-го международного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития“.- Харкiв (Украина). - Часть 2. – 2002. - С. 418 – 419.

28. Lysak V.V., Ivanov P.S., Sukhoivanov I.A. Pulse dynamics of oxide confinement vertical cavity semiconductor lasers // International quantum electronics conference: conference for young scientists and engineers (IQEC/LAT-YS’2002). – Moscow (Russia). – 2002. – Paper YMC5.

29. Ivanov P.S., Unold H.J., Michalzik R., Maehnss J., Ebeling K.J., Sukhoivanov I.A. Application of photonic crystal effective index model for defining single-mode conditions in PCSELs // Proc. LEOS Annual Meeting. – Glasgow (Scotland). – 2002. – P. 221 – 222.