Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

9.1.2. Лазерные диоды.

         Принципиальным отличием лазерных диодов от светодиодов является наличие в них встроенного оптического резонатора и значительно большее значение тока, называемого током накачки. В лазерных диодах фотоны в основном генерируют посредством стимулированной (вынужденной) эмиссии, заключающейся в том, что фотоны, созданные в результате спонтанной эмиссии, вызывают генерацию дополнительных фотонов путем стимулирования дополнительных рекомбинаций, а те в свою очередь создают дополнительные фотоны, при этом грани кристалла представляют собой полупрозрачные зеркала, ограничивающие объем резонатора.

         Физически процесс лазерного излучения заключается в следующем. Если к р- и n-области приложить, соответственно, положительный и отрицательный полюсы источников тока, то дырки начнут инжектировать в область р, а электроны в область n, перемещаясь к активному слою, находящемуся между слоями материала, имеющего большую ширину запрещенной зоны. В результате по обе стороны активного слоя вблизи поверхности возникнут потенциальные барьеры, и находящиеся в нем почти все дырки и электроны рекомбинируют, излучая свет с длиной волны, практически соответствующей  ширине запрещенной зоны. При токе инжекции, меньшем Iп, в лазерном диоде возникает только спонтанное излучение, аналогичное излучению светодиода. Так как активная область типовых лазерных диодах (ширина, высота и длина активной зоны составляют, соответственно, 5…10 мкм, 0,1…0,2 мкм и 300 мкм,) значительно меньше, чем у светодиодов, то и выходная оптическая мощность при работе лазерного диода в условиях спонтанного излучения получается меньше, чем у светодиода (рис. 9.6.). При достижении током порогового значения (I0 ~ 50…150 мА) выходная оптическая мощность быстро растет и достигает от -5 до +20 дБм. При передаче по ОВ информации в дискретной (цифровой) форме значение рабочего тока через светодиод должно быть выбрано в интервале между точками а и d (рис. 9.6), а при передаче аналоговой информации – приблизительно в середине диапазона а-b. Значение рабочего тока для лазерного диода выбирается между точками f и e или d (рис. 9.6) при передаче информации в дискретной форме, а при передаче аналоговой информации – вблизи точки е.

Распределение интенсивности излучения лазерных диодов (рис. 9.7.) описывается функцией Гаусса, которая имеет вид:

I(r) = I0 exp [-r2 / w2 ]                                  (9.6),

где I0 –интенсивность в центре луча, w –радиус луча.

Рис. 9.6. Изменение выходной оптической мощности Р в зависимости от силы тока инжекции I для светодиода (1) и лазерного диода (2)

Рис. 9.7. Гауссовское излучение в лазере

В ВОСПИ используются различные типы лазерных диодов (или просто лазеров), которые отличаются конструкцией, длиной волны излучения, частотными характеристиками, режимом работы (одномодовый или многомодовый) и т.д. Основные требования к подобным лазерам и модулям на сегодняшний день следующие:

         динамически одночастотный режим работы;

         лазеры с фиксированными длинами волн в области 1525…1560 нм;

         спектральные интервалы между каналами должны составлять 0,4 или 0,8 нм, в то время как в 2000г. еще только планировали интервалы от 3,5 до 5 нм;

         точность расположения рабочих длин волн ~ 0,1 А;

         спектральная ширина линии менее 1 МГц;

         мощность излучения одночастотного лазера ~ 1…10 мВт;

         линейность ватт-амперной характеристики до 10 мВт;

         вывод излучения через одномодовый световод на данную длину волны;

         степень подавления боковых мод не менее 30 дБ;

         одночастотный спектр излучения в широком интервале температур и тока накачки;

         ресурс работы ~ 105 час.

         Так как длина полупроводникового лазера много больше длины волны излучения, то существует множество резонансных продольных мод. К многомодовой генерации ведут также высокочастотная прямая модуляция  (из-за изменения концентрации носителей вследствие переходных процессов) и влияние спонтанного излучения, причем спектральная ширина линии тем уже, чем меньше доля спонтанного излучения над вынужденным. Следовательно, для получения одночастотного режима генерации в широком интервале токов накачки и сужения ширины линии генерации, необходимо осуществлять селекцию мод, которая обычно реализуется за счет: внешних дифракционных решеток, изготовления лазеров с распределенной обратной связью или использования брэгговского распределенного отражателя. Дифракционная решетка представляет собой зеркало, на которое нанесены бороздки с очень малым расстоянием (периодом d) между ними.

Введение дифракционной решетки в полупроводниковый лазер обеспечивает воздействие на оптические характеристики выходного излучения, позволяя перестраивать и стабилизировать длину волны излучения путем выбора периода решетки и угла падения излучения, соотношение между которыми связано условием Брэгга:

mλ = 2 d Sinθ                                            (9.7),

где m – порядок отражения, d – период решетки, θ – угол падения излучения.

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Полупроводниковый лазер с внешней дифракционной решеткой

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Варьируя период дифракционной решетки, можно обеспечить одночас-тотный режим генерации на выбранной длине волны.

Рис. 9.9. Полупроводниковые лазерные диоды: а) с распределенной обратной связью, б) с распределенным брэгговским отражателем

В лазерах с обратной связью и с брэгговским распределенным отражением обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, образуется за счет периодического изменения ПП внутри оптического волновода. В лазерах с распределенной обратной связью область усиления находится в среде с периодическим изменением ПП (рис. 9.9 а). В этом случае предпочтение будет отдано той длине волны, при которой имеет место усиливающаяся интерференция небольших отражений за счет периодического изменения ПП. В лазерах с распределенным брэгговским отражением  периодическая среда расположена на краях области усиления (рис. 9.9.б).

Период структуры должен удовлетворять условиям Брэгга (6.11):

Λ = lλ0/(2nэфф.)                                           (9.8),

где l – длина решетки.

         На рис. 9.10 приведена конструкция одночастотного полупроводникового лазера, в котором стабилизация излучения достигается за счет использования волоконной брэгговской решетки (ВБР), записанной в одномодовом ОВ.

Рис. 9.10. Схема стабилизации излучения полупроводникового лазерного диода с помощью волоконного брэгговского отражателя: 1 – лазерный диод, 2 – волоконный световод, 3 – брэгговская решетка

 В этой схеме ВБР играет роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генерацию одной продольной моды лазера, длина волны которой находится в контуре отражения решетки. На рис.9.11 приведен спектр излучения лазера без внешнего резонатора (а) и с внешним резонатором на основе ВБР (б).

Рис. 9.11. Спектр излучения лазерного диода: а) – без внешнего резонатора, б) – с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки

Меняя параметры ВБР можно изменять длину волны излучения лазеров, которые используются в системах со спектральным уплотнением каналов. Кроме того, в зависимости от параметров решетки и расстояния между ней и лазерным кристаллом возможно создание одночастотного и многочастотного режимов лазерной генерации. Так как температурная чувствительность λбр. примерно на порядок ниже, чем чувствительность длины волны лазеров, такая конфигурация позволяет в ряде применений обойтись без температурной стабилизации лазера. Описанная схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров применяется для создания одномодовых лазеров накачки, а также источников излучения как альтернатива лазерам с распределенной обратной связью, рассмотренных выше (рис. 9.9 а).



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.