Лекции по Компонентам ВОЛТ   

6. Передающие оптоэлектронные модули

6.4. Лазерные диоды

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) – генераторы излучения, когерентного в пространстве и во времени, т.е. излучение ЛД монохроматично и сосредоточено в узком пучке.

ЛД существенно отличаются от лазеров других типов.

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в ЛД переходы осуществляются между энергетическими зонами.

2. Полупроводниковые ЛД имеют очень малые размеры (около 0,1 мм в длину) и так как активная область у них очень узкая (около 1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.

3. Пространственные и спектральные характеристики излучения ЛД сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).

4. В лазере с p-n переходом излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод. В результате легко осуществлять модуляцию интенсивности излучения путем изменения силы тока накачки пропорционально модулирующему сигналу.

5. Модуляция ЛД-ов может производиться на очень высоких частотах, т.к. они характеризуются очень малым временем стимулированного излучения.

Работа ЛД связана с тремя основными процессами, обусловленными переходами носителей: поглощением, спонтанной эмиссией и стимулированным излучением.

Лазерные диоды (ЛД) в отличие от светодиодов имеют 2 главных конструктивных отличия:

1. ЛД имеет встроенный оптический резонатор,

2. Работает при больших токах накачки, что позволяет при превышении порогового значения получить режим индуцированного излучения (рис.17). Такое излучение характеризуется высокой когерентностью (ширина спектра ЛД 1-2нм, СД 30-50нм).

Рис.17

При создании лазерных передатчиков надо решить ряд задач, обусловленных следующими особенностями лазера:

1. Для уменьшения времени задержки, то есть увеличения быстродействия лазерного передатчика, рабочая точка (РТ) в состоянии покоя должна быть вблизи излома энергетической характеристики (І нач смещения » І пороговое),

2. Величина І порог (ток, при котором начинается лазерная генерация) сильно зависит от температуры кристалла излучателя и возрастает с течением времени из-за эффектов его старения,

3. Большая крутизна энергетической характеристики при токах, превышающих пороговое значение, в сочетании с низкой стойкостью лазера к перегрузкам требует контроля выходной мощности излучения.

Выходная мощность излучения отражает мощность вводимого в ОВ излучения. Измеряется в Вт и дБм.

На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм*км. А так как полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. При Dl = 4нм полоса пропускания на 100км составляет 63 МГц, а при Dl = 0,2нм 1260 МГц. Поэтому, чтобы использовать оптические передатчики на 1,55 мкм с SMF, надо делать ширину спектра излучения как можно меньше.

Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения здесь применим только лазерный диод. Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности излучения.

В настоящее время стало возможным также применение новых, более дешевых излучателей, но имеющих более узкую диаграмму направленности с большой интенсивностью излучения. Таким источником оптического излучения является VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) — Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (рис.18), работающий на длине волны 850 нм и 1300 нм. Применение данного источника излучения будет особенно экономически выгодным на длине волны 850 нм.

Рис. 3 Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL)
Рис. 18. Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL)

Достоинствами VCSEL являются: технологичность производства излучателя; снижение цены по сравнению с лазерным диодом; узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения.

Наибольшее распространение в качестве источников излучения получили лазерные диоды (ЛД):

·        ЛД с резонатором Фабри-Перо (FPR),

·        ЛД с распределенной обратной связью (DFB),

·        ЛД с распределенным брэгговским отражением (DBR),

·        с внешним резонатором.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.