| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.
Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения.
Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.
Фотон с энергией Е2 – Е1 может с равной вероятностью инициировать как переход Е1 → Е2 , так и переход Е2 → Е1 . Всё дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне (Е1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2, то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.
Нам важно, чтобы преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо, чтобы населённость верхнего рабочего уровня n2 оказалась выше населённости нижнего уровня n2, т.е. чтобы выполнялось условие
называемое условием инверсии (обращения) населённостей рабочих уровней.
Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.
Инверсию населённостей, в данном случае, производят током накачки IН.
Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.
Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населённостей ещё не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.
Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического генератора.
Положительная обратная связь. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рисунке 4.10.
Рисунок 4.10 – Упрощённая физическая модель лазера
Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.
Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.
Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки IН создаёт инверсную населённость уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населённость электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки IН некоторого порогового значения IП (IН > IП).
Источник тока накачки IН создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.
Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн λk:
где L – длина пути, по которому распространяется излучение;
k – целое число.
Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько "почти" монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k.
Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.
Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл–воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).
Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.
Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-n-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся, хотя и незначительно, строением кристал-лической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счёт применения ДГС появляется возможность:
На рисунке 4.11 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P. Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль узкозонного слоя d.
Рисунок 4.11 – Структура поперечного сечения полоскового лазера типа N-p-P
Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.
Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:
К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:
Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 4.12.
Рисунок 4.12 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД
При малых токах накачки (IН < IП) лазер работает подобно СИД: происходит спонтанная излучательная рекомбинация и излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. При превышении порогового значения тока (IН > IП) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.
Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.
Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 1020мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.
Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рисунке 4.13,а.
а–диаграмма направленности; б–конус излучения; в–зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Рисунок 4.13 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения ЛД
Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4.13,б). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20o в плоскости, параллельной переходу, и более 40o в перпендикулярной плоскости. На рисунке 4.13,в показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения ЛД считается длина волны λ0, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рисунке 4.14 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД.
Рисунок 4.14 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД
У многомодовых ЛД ширина каждой отдельной линии δλ=1–3нм, интервал между ними составляет 2–5нм. У одномодовых ЛД ширина спектральной линии, состоящая из одной продольной моды δλ=0,1–0,4нм
Главная отличительная черта спектра ЛД – линейчатая структура и значительно более узкий спектр по сравнению с СИД.
Поляризация излучения. Лазерный диод обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать частично поляризованными – ориентация векторов электромагнит-ного поля определена топологической схемой ЛД, в отличие от СИД, где излучение не обладает поляризацией, т.е. векторы электромагнитного поля ориентированы случайным образом.
Быстродействие. Скорость включения и выключения источника света должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника, как указывалось выше, определяется временем нарастания и спада импульса сигнала. Лазеры имеют время нарастания τнар<1нс, в то время как τнар у СИД – несколько наносекунд. Максимальная частота модуляции &f;max, по которой оценивается быстродействие источников излучения, у ЛД достигает нескольких гигагерц, что значительно больше чем у СИД.
Срок службы. Сначала лазерные диоды обладали значительно меньшей надёжностью, чем СИД, так как они требовали бóльших токов накачки. Затем удалось значительно повысить надёжность ЛД и приблизить их к СИД по времени наработки на отказ, которое составляет 50 тыс. часов и более (до 8 лет).
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |