Инжекционные лазеры и их основные параметры

Полупроводниковым    лазером    называется    генератор    когерентного    излучения    в ультрафиолетовой,  видимой  или  инфракрасной  области  на  основе   полупроводникового кристалла. По способу возбуждения ППЛ разделяют на инжекционные, лазеры с оптической накачкой и лазеры с накачкой пучком быстрых электронов.

Инжекционные лазеры (ИЛ) состоят из активной среды и резонатора. Для возбуждения лазера и поддержания в нем незатухающих колебаний необходимо выполнить два условия:

1.      Создать инверсную населенность активной среды и получить оптическое усиление излучения. Инверсной населенностью активной среды  называется такое ее состояние, при котором  скорость  индуцированного  излучения  превышает  скорость  поглощения  фотонов атомами активной среды. При этом интенсивность потока фотонов увеличивается в процессе их  распространения  в  веществе  активной  среды,  т.  е.  реализуется  оптическое  усиление излучения пучка фотонов. Инверсная населенность в ИЛ создается путем накачки активной среды  постоянным  током  (инжекции).  Чтобы   поддерживать   инверсную  населенность, необходимо   постоянно   затрачивать    энергию   накачки,   поступающую   от   источника электропитания.  Высвобождение этой энергии происходит  в результате индуцированного излучения лазера.

2.      Создать    положительную    оптическую    обратную    связь,    чтобы     превратить рассмотренный  оптический  усилитель  в  генератор.  Это  можно  сделать  с  помощью  двух торцевых   поверхностей   лазера   –   параллельных   пластин   (зеркал),   которые   образуют оптический  резонатор,  называемый   резонатором  Фабри-Перо  [80].  Одна   из  пластин отражает индуцированное излучение в усиливающую среду (коэффициент отражения близок к  100  %).   Другая  пластина  полупрозрачна  и  та  часть  оптической  мощности,  которая проходит через полупрозрачное зеркало, образует выходное оптическое излучение ИЛ. Оно имеет  линейчатую  спектральную  характеристику,  что  затрудняет  ввод  излучения  таких лазеров в ООВ. Кроме того, ИЛ с резонаторами из зеркал, или лазеры с резонатором Фабри- Перо, имеют большую излучающую площадь, что также снижает коэффициент связи с ООВ. Отмеченные  недостатки устраняются путем  применения в ИЛ для волоконно-оптической связи «полосковой геометрии» [29].

«Полосковая геометрия» может быть выполнена различными способами. Один из них схематически    представлен    на    рис.    3.15,    а.    Полоской    называют    активный    слой

полупроводника,   ограниченный  с  двух  сторон  изолятором.

В  результате   достигается

локализация оптической мощности или носителей тока. При этом ток локализуется в полоске шириной менее 10 мкм. Такие приборы носят название лазеров с  волноводным усилением, поскольку   оптическое  излучение   локализуется   в   области   с   максимальной   инверсией населенности, которая, в свою очередь, определяется распределением плотности тока.

Значительно более сильная локализация обеспечивается в конструкции, представленной на  рис.  3.15,  б,  которая  называется  заращенной   гетероструктурой.  В  таких  лазерах образуется  «волноводный  канал»,  так  как  заращивающий  слой  InGaAsP  с  пониженным показателем   преломления   образует    границу   волновода   и   ограничивает   оптическое излучение, а граница  гетероперехода ограничивает носители тока. Структура, приведенная на рис. 3.15, б может быть получена из обычного лазера на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP  вытравливанием  слоя  n-InGaAsP  с  любой  стороны  активной   полоски   и последующим выращиванием п- и р- InGaAsP-слоев на вытравленной области. В зарощенной гетероструктуре ширину полоски доводят до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток, но

при этом полная мощность, излучаемая лазером в окружающее пространство, не превышает

1.. .2 мВт.

Рис. 3.15

Инжекционные лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют получить оптическое излучение одной моды, имеют лучшую временную стабильность и повышенную линейность мощности  выходного  излучения.  Поэтому,  несмотря  на  технологические  трудности  их изготовления, такие лазеры широко применяют в ОПД, используемых для построения СЛТ большой протяженности.

Рассмотрим   основные   параметры   ИЛ.   Типичная   экспериментальная   зависимость выходной мощности оптического излучения лазера от тока накачки приведена на рис. 3.16. Специфическим     параметром     лазеров     является     величина     порогового     тока     Iпор,

соответствующего

порогу    генерации,

которая   возникает   при    выполнении    условия

вынужденного излучения в области pn-перехода полупроводникового кристалла. При малом токе  накачки  Iнак   <  Iпор   (область  1  кривой  на  рис.  3.16)  условия  генерации  лазера  не выполняются, оптическое излучение определяется спонтанными переходами и лазер подобен СИД.

В  области  2  возрастает  доля  индуцированного  (вынужденного)  излучения,  поэтому ватт-амперная характеристика лазера имеет излом. При токе выше порога Iнак > Iпор (область

3) в излучении лазера преобладает доля индуцированного излучения.

Основное воздействие на спектральные характеристики излучения  лазера  оказывают возбуждаемые продольные моды. При узкой полоске в  лазерах с волноводным усилением обычно  возбуждается  много  мод  и  наблюдается  довольно  широкая  спектральная  линия генерации, как показано на рис. 3.17, а.

Рис. 3.16

Рис. 3.17

В лазерах с волноводным каналом сразу за порогом генерируется несколько мод, но по мере  увеличения  тока  накачки  одна  мода  становится  доминирующей   над  остальными (рис. 3.17, б). Вследствие наличия квантовых флуктуации в  кристалле полупроводника  и конечной   величины   добротности   резонатора   (полоски),   спектральные   линии   имеют конечную  ширину.  Уменьшение  ширины  полоски  приводит  к  увеличению  межмодового расстояния, поэтому немногие  моды  могут попасть в пределы линии усиления. В связи с этим предпочтительнее узкие полоски. Они дают возможность работать с одной продольной модой при  более  высокой выходной мощности оптического излучения лазера. При этом ширина спектральной линии отдельной моды для лазеров с волноводным усилением имеет значения сотни мегагерц, а для лазеров с волноводным каналом – несколько десятков и даже единиц мегагерц.

Выше (см. подразд. 3.3.1) указывалось, что длинноволновые (1,3 и 1,55 мкм)  лазеры для  современных  ВО  ЦСП  синхронной  иерархии  изготавливаются  на   основе  двойной гетероструктуры   InGaAsP/InP.   Зарощенная   полосковая   гетероструктура   при   коротком резонаторе обеспечивает  возможность генерации  на  одной продольной  моде при ширине спектра  несколько  мегагерц.  Если  при  этом  использовать  узкие  контактные  полоски,  то можно в несколько раз уменьшить пороговый ток, который находится в пределах 400…500 мА для лазера на основе GaAlAs/GaAs и 50… 100 мА для лазера на основе InGaAsP/InP.

Достоинством полупроводниковой структуры InGaAsP/InP является также то,  что она не содержит алюминий (Аl). Высокая химическая активность этого  материала приводит к усложнению  технологии  изготовления  лазера  на  основе  GaAlAs/GaAs,  т.  к.  необходима тщательная изоляция полупроводника от кислорода и паров воды.

Остается  проблемой  зависимость  порогового  тока  лазера  на  основе  InGaAsP/InP  от температуры  активной  области.  Эта  зависимость  представлена  на  рис.  3.18,  из  которого следует, что при увеличении температуры от 20 до 60 °С величина Iпор примерно удваивается [29].   Изменения   температуры   лазера   вызывают   изменение   длины   волны   отдельных продольных   мод,  что  приводит  к  изменению  распределения   мощности  по  модам.  В результате изменяются спектральные  характеристики.  Часто во время излучения лазером импульса  оптическая  мощность  одной  продольной  моды  передается  другой  моде.  Этот эффект известен как перескок мод. Для борьбы с ним используют термостатирование лазера.

Рис. 3.18

Кроме рассмотренных ИЛ с зарощенной гетероструктурой, применяют также лазеры с внешним резонатором, или лазеры ЕС (External Cavity). Они  позволяют получить ширину спектральной линии излучения несколько десятков и даже единиц килогерц. В состав лазера входят  два  слабо   связанных   резонатора  –  это  внутренний  резонатор  ИЛ  и  внешний, используемый  для  возвращения  части  излучаемой  оптической  мощности  во  внутренний резонатор.

Принцип   сужения   спектральной   линии   излучения   лазера   состоит   в   том,   что незначительная часть излучаемой мощности после небольшой задержки вводится синфазно с отраженной  от  его  торца  волной  обратно  во  внутренний  резонатор.  Структурная  схема лазера ЕС приведена на рис. 3.19  [80]. В качестве одного из зеркал внешнего резонатора используется отражающая дифракционная решетка. Она осуществляет грубую межмодовую селекцию,  а  внешний  резонатор  –  тонкую  селекцию  и  сужение   спектральной  линии излучения  лазера.  Теоретически  доказано,  что  этим   способом   могут  быть  получены спектральные линии генерации с полосой  частот порядка десятков килогерц. Практически получено сужение полосы частот с 200 МГц до 40 кГц. Имеются данные о сужении полосы частот до 10 и даже до 0,5 кГц [104].

Рис. 3.19

Дальнейшим   развитием   рассмотренного   лазера   является   применение   в   качестве внешнего резонатора отрезка ООВ длиной 0,5…50 м. Зеркалом внешнего резонатора служит торец  волокна  без  специального  покрытия.  Настройка  внешнего  резонатора  в  пределах используемой длины волны осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем.

Инжекционные лазеры на соединении InGaAsP/InP с зарощенной  гетероструктурой и внешним  резонатором  применяют  в  качестве  излучателей  ОПД  и  гетеродинов  ОПМ  в высокоскоростных  СЛТ,  использующих   когерентный   прием  оптических  сигналов  (см. подразд. 3.6.3).

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100