Резонатор с распределенной обратной связью.

Это особый вид резонатора, в котором торцевые зеркала вообще отсутствуют, а положительная обратная связь обеспечивается рассеянием на периодических неоднородностях, образующих строго периодичную решетку, Важно, чтобы эта решетка образовывалась пространственными периодическими изменениями одного из параметров, от которого зависят условия распространения света. Это может быть показатель преломления, показатель усиления, толщина пленки или кристалла. Расстояние b между неоднородностями должно удовлетворять условию Вульфа -— Брэгга:

где b — период дифракционной решетки; — угол между нормалью к плоскости решетки и оптической осью резонатора; m= 1; 2; 3; ... — порядок дифракции.

В оптических резонаторах, реализованных таким образом, решетка является одновременно фильтром и отражателем, выполняя роль зеркал «обычных» резонаторов.

Распределенная обратная связь используется, в частности, в некоторых типах полупроводниковых лазеров. Она осуществляется следующим образом. Пусть электромагнитное излучение распространяется в тонком плоском диэлектрическом волноводе, заполненном активным веществом. Вблизи этого активного слоя на расстоянии l от него поместим плоскую дифракционную решетку с периодом b, как показано на рис. 2.26.

Рисунок 2.26 Схема резонатора с распределенной обратной связью

Как известно, электромагнитная волна, распространяющаяся в диэлектрическом волноводе, «просачивается» за его стенки на расстояние порядка длины волны; амплитуда волны вне волновода экспоненциально убывает в направлении, перпендикулярном плоскости волновода (в направлении х на рис. 2.26). Поэтому если расстояние l мало ( ), то дифракционная решетка будет влиять на волну, распространяющуюся внутри активного слоя. Распространяющаяся в волноводе мода будет «зацепляться» своим «хвостом» за поверхность, на которую нанесена дифракционная решетка. Если период b решетки составляет целое число длин полуволн света в волноводе, то брэгговское отражение волноводной моды от решетки изменит направление ее распространения на обратное, приводя тем самым к возникновению положительной обратной связи. Эта обратная связь будет равномерно распределена по всей длине z активного слоя, поэтому она называется распределенной обратной связью.

При определенных условиях с помощью той же дифракционной решетки можно осуществить вывод излучения из плоского диэлектрического волновода наружу. При этом излучение выводится с поверхности активного слоя под определенными углами, т. е. происходит распределенный съем энергии излучения.

Если период решетки b равен половине длины волны λ (в данном случае λ есть длина световой волны в активном слое с показателем преломления n), т. е. b=λ/2π, то волна рассеивается только назад, чем и создается обратная связь. Для решеток высшего порядка с m≥2, кроме отражения вперед и назад, возможно рассеяние под дискретными углами к плоскости волновода. Так, для решетки с m=2 волна будет рассеиваться назад под углом Θ =180°, обеспечивая обратную связь во втором порядке дифракции, и перпендикулярно плоскости решетки (Θ=90°) в первом порядке. Для решетки с m=3 волна рассеивается назад в третьем порядке дифракции и под углами 60° и 120° в первом и втором порядках, как это схематически показано на рис. 2.26.

Таким образом, в активном слое волновода распространяются навстречу друг другу жаж минимум два колебания с одинаковой длиной волны. По мере того как одна из двух волн

распространяется вдоль резонатора (вдоль оси z), за счет дифракции она получает энергию от волны, распространяющейся в противоположном направлении, что определяет взаимодействие этих волн и создает положительную обратную связь, распределенную по всей длине периодической структуры. Коэффициент потерь на излучение и обратную связь в такой системе можно изменять, например, изменяя расстояние l.

С помощью системы, аналогичной изображенной на рис. 2.26, можно в обратном порядке осуществлять не вывод, а ввод излучения в тонкопленочный волновод через его боковую поверхность. Это часто используют в устройствах интегральной оптики.