Полупроводниковые лазеры уже давно стали неотъемлемой частью современного технологического ландшафта, играя ключевую роль в телекоммуникациях, оптических измерениях и различных сенсорных системах. Одной из наиболее важных характеристик таких лазеров является возможность тонкого и быстрого управления частотой излучения - параметром, от которого зависит эффективность и точность множества приложений, особенно в сферах, связанных с дальномерными измерениями и спектроскопией. На переднем крае исследований сегодня находится технология электрического модулирования частоты лазеров, основанная на контроле пространственно заряженных токов в слоях лазерной структуры. Такой подход предлагает значительно более высокую скорость управления лазерной частотой и обеспечивает внутреннюю линейность изменения частоты, что особенно актуально для систем FMCW LIDAR. Традиционные методы управления частотой полупроводниковых лазеров, включая оптическое и электрическое воздействие на активную область благодаря изменению концентрации носителей заряда, обладают ограничениями по скорости модуляции, обусловленным временем рекомбинации носителей.
Эти ограничения обычно ограничивают скорость модуляции мегагерцевым диапазоном. Сложные устройства с тремя контактами, например, с интеграцией транзисторных структур, позволяют регулировать концентрацию электронов в резонаторе, меняя индекс преломления, но при этом конструкции становятся более сложными и дорогостоящими. Применение механизмов, таких как металлические окислы и MOS-структуры, показало перспективность, однако зачастую требует дополнительного усложнения процесса производства. Принцип новой методики основывается на использовании пространственно заряженного тока (space-charge-limited current, SCLC), который создаётся при подаче электрического напряжения между двумя контактными слоями, расположенными в нижнем оптическом затворе лазера - нижнем омагничивающем слое и внутреннем управляющем контакте. Такой трёхконтактный дизайн позволяет не смешивать управляющий ток с током питания активной области лазера, что значительно снижает влияние управления частотой на выходную мощность.
При этом изменение концентрации свободных носителей заряда происходит именно в нижнем слое обкладки резонатора, где оно вызывает изменение локального показателя преломления и, соответственно, смещение частоты излучения. Достоинство этой технологии - в высокой линейности зависимости частоты лазера от приложенного напряжения. Линейность - критический параметр для систем FMCW LIDAR, где возвратный сигнал интерферирует с локальным опорным в фотодетекторе, а стабильность частотной модуляции напрямую влияет на точность определения расстояния. Линейная зависимость обеспечивает стабильность биений для неподвижного объекта, позволяя использовать преобразование Фурье для быстрой и точной обработки сигнала без затратных алгоритмических корректировок и сложных схем контроля частоты на лету. Модель устройства, рассмотренная на базе квантового каскадного лазера (QCL) в среднеинфракрасном диапазоне около 10 микрометров, демонстрирует, что изменение частоты на уровне гигагерц можно осуществить при приложении управляющего напряжения в несколько десятков вольт.
При этом нелинейность проявляется менее чем в 0.4% на диапазоне от нуля до 20 В, что значительно превосходит принятые в индустрии стандарты и обеспечивает изначально высокое качество сигнала без дополнительной обработки. Оценки времени отклика показывают, что установка пространственного заряда и, соответственно, смена частоты лазера может происходить с характерными временами порядка наносекунд или меньше, что открывает возможность для высокоскоростных систем генерации модулированного излучения. Основным фактором, обеспечивающим достижение высокого качества работы предлагаемого лазера, является материал нижней обкладки с низкой концентрацией свободных носителей - это необходимо для поддержки пространства заряженного тока без больших утечек. В то же время электропроводность и подвижность электронов в этом слое должны быть достаточно высокими для быстрого переноса зарядов.
Использование материалов типа Al0.48In0.52As и Ga0.47In0.53As в структуре лазера позволяет достичь оптимального баланса параметров, обеспечивая требуемую электронную динамику и стабильность светового резонатора.
Отдельного внимания заслуживает влияние дополнительной инжекции носителей в затворные слои на оптические потери. При внесении электронного заряда в нижний слой увеличиваются свободноносительские потери, но оценочные значения показывают, что при оптимальном выборе параметров эта дополнительная абсорбция составляет менее 0.1% от общей потери лазера. Таким образом, практически можно считать, что выходная мощность лазера остаётся неизменной при изменении частоты, что является важным преимуществом для применения в системах связи и измерений, где устойчивость оптической мощности существенно влияет на качество сигналов. Применение лазеров с электрически модулируемой частотой имеет особенно большое значение для систем FMCW LIDAR, которые сегодня быстро развиваются как основной инструмент в автономном вождении, робототехнике и промышленной автоматизации.
Высокая скорость изменения частоты с низкой нелинейностью обеспечивает повышение разрешающей способности и точности измерения расстояний, а также более широкие возможности по дальности и устойчивости к помехам. Дополнительная простота конструкции такого лазера облегчает его интеграцию в миниатюрные и комплексные оптические модули, снижая стоимость систем и расширяя их функциональность. Значительный потенциал у этой технологии и в спектроскопии, где управление частотой лазера позволяет выполнять высокоточные измерения состава веществ, причем на длинах волн в среднем инфракрасном диапазоне наблюдается широкий спектр молекулярных поглощений. Быстрое и линейное сканирование позволяет повышать скорость анализа и расширять динамический диапазон при сохранении точности результатов. Другим перспективным направлением является создание интегрированных фотонных систем, где электрическая модуляция частоты может быть использована для генерации частотно-модулированных сигналов, работающих в тандеме с другими функциональными блоками - например, частотными гребенками, фильтрами и гетеродинными приемниками.
Широкое поле для исследований открывают квантовые каскадные лазеры, которые благодаря своей многоуровневой структуре и большому количеству внутренних переходов легко поддаются адаптации к сложным схемам управления и обеспечивают высокую мощность и стабильность излучения. В заключение, полупроводниковые лазеры с электрическим модулированием частоты, построенные на принципах пространственно заряженного тока в нижних слоях резонатора, представляют собой прорыв в области управления оптическим излучением. Их высокая скорость настройки, встроенная линейность частотной модуляции и минимальное влияние на выходную мощность делают их идеальным решением для передовых систем LIDAR и спектроскопии. Технология открывает возможность для более компактных, эффективных и точных устройств, что будет стимулировать развитие как базовой фотоники, так и широкого круга прикладных областей, включая автономные транспортные системы, дистанционное зональное сканирование и экологический мониторинг. Продолжение исследований и практика промышленного внедрения таких лазеров обещают новые достижения в области точного оптического управления, что будет способствовать общему прогрессу дисплеев, коммуникаций и измерительных систем в ближайшее десятилетие.
.
