Материал: Элементы оптических систем связи

l =1,24/Е_g (3)

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

а                                             б

Рис. 5

Основным параметром светодиода является его внешний квантовый выход:

h = N_Ф/N_Э = n_ф/N_ЭК_п = h_ВК_п, (4)

где N_Ф - число излученных квантов,

N_э - число проходящих через светодиод за то же время носителей заряда.

Очевидно

N_Ф = n_фК_п,

где n_ф - число рожденных квантов;

h = n_ф/N_Э - внутренний квантовый выход;

К_п - коэффициент потерь при выводе излучения.

Потери (природа которых ясна из рассмотрения схематической конструкции светодиода, рис. 6) при выводе излучения определяются четырьмя причинами: - потери за счет полного внутреннего отражения (кванты 2), так при выводе квантов из GaAs не испытывают полного внутреннего отражения лишь те кванты, которые падают на поверхность раздела под углом, меньшим 17^о (показатель преломления GaAs: n » 3,3 - 3,8); - потери за счет просто отражения от поверхности основных идущих к ней квантов 1; - потери на самопоглощение в кристалле (кванты 3); - потери за счет рассеяния излучения в объеме (кванты 4 и 5). Для уменьшения указанных потерь необходимо чтобы кванты генерировались на всей глубине полупроводника только одного типа, причем глубина должна быть малой, чтобы кванты генерировались ближе к выходу. Кроме того, используются гетеропереходы в которых n-область сильно легирована, а p-область - слабо, что обеспечивает одностороннюю инжекция электронов в p-область и люминесцентное излучение идет по всей p-области, которая называется базовой областью светодиода.

Рис. 6

Структуры светодиодов диапазона 0,8 - 0,9 мкм, обычно, представляют систему AlGaAs/GaAs, а для диапазона 1,2 - 1,7 мкм - GaInAsP, сочетающие высокий квантовый выход электролюминесценции, малое поглощение излучения при выводе его из кристалла и высокое быстродействие. В настоящее время распространение получили две основные модификации приборов: с выводом излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода - поверхностные светодиода и с торцевым выводом, параллельно плоскости p-n-перехода - торцевые светодиоды. Оба вида светодиодов работают при управляющих токах 100...200 мА и обеспечивают Р_вых = 2...6 мВт. Поверхностные светодиоды обычно излучают в окружающее пространство большую (примерно в 3 раза) мощность, чем торцевые.

Частотная характеристика светодиодов определяются соотношением

P(f) = P(0) [1+(ft)]^-0,5, (5)

где t - время жизни неосновных носителей;

f - частота вариации излучения.

Наибольшее распространение получили светодиоды с поверхностными излучателями в которых для расширения полосы частот выполняется сильное легирование активного слоя при большом различии концентраций носителей в активной и прилегающих областях, однако это снижает внешнюю эффективность диода.

Для получения большей мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между лазерными диодами и светодиодами. Такие диоды представляют собой торцевые излучатели и изготовляют в виде обычной четырехслойной лазерной гетероструктуры. По сравнению со светодиодами суперлюминесцентный диод характеризуется более высоким дифференциальным квантовым выходом излучения и меньшей спектральной шириной излучения.

Однако достижение таких характеристик требует увеличения тока накачки до уровня, сравнимого с током накачки лазерного диода. Дифференциальный внешний квантовый выход излучения на суперлюминесцентном диоде выше, чем у обычных светодиодов, а сигнал претерпевает минимальные искажения при модуляции. В этом случае спектральное положение и ширина полосы излучения, а также диаграмма направленности излучения меняются с изменением I_нак незначительно. Мощность излучения таких диодов возрастает при увеличении длины диода. Снижение времени жизни носителей благодаря эффекту стимулированного излучения позволяет увеличить частоту модуляции суперлюминесцентных диодов до 1 ГГц.

Следует отметить, что по сравнению с лазерными диодами суперлюминесцентные диоды отличаются большим сроком службы, меньшей чувствительностью к деградации, более слабой температурной зависимостью излучаемой мощности и более высокой линейностью характеристик. Однако суперлюминесцентный диод проигрывают лазерным источникам по таким параметрам как ширина спектра излучения, эффективность ввода излучения в ВОЛС и выходная мощность. Тем не менее, он сохраняют свои позиции из-за низкой стоимости и простоте эксплуатации.

. Лазерные диоды

По смыслу своего названия лазер является усилителем света. При возбуждении лазера световой или электрической энергией световые колебания соответствующей частоты, входящие в резонатор лазера, усиливаются таким образом, что выходная волна находится в фазе со входной. Лазеры редко используются в качестве усилителей, так как их внутренние шумы, называемые спонтанной эмиссией, сравнительно велики. Кроме того, существуют определенные трудности в изготовлении лазера с высоким коэффициентом усиления и без обратной связи, вызывающей генерацию. В подавляющем большинстве случаев лазеры используются как осцилляторы - генераторы когерентного света.

Особенность когерентного излучения лазерных источников существенно отлично от некогерентных, т.к. их световой поток может быть сфокусирован на площади, сравнимой с длиной волны, тогда как для светодиодов этот размер не меньше источника излучения.

Принцип генерации излучения лазера можно рассмотреть на основе энергетической диаграммы вещества, проявляющего лазерный эффект. На рис. 7 показана такая диаграмма для вещества с тремя энергетическими уровнями. Энергия возбуждения, подводимая к активному веществу лазера, переводит атомы с основного энергетического уровня на 3-й энергетический уровень. Затем атомы очень быстро переходят спонтанно на 2-й энергетический уровень без излучения.

Рис. 7

Разность энергии между 2 и 3-м уровнями идет на нагревание кристаллической решетки вещества лазера. Со 2-го энергетического уровня частицы спонтанно переходят на основной уровень, и излучается энергия с частотой f, определяемой по формуле

f = (E₂ - E₁)/h, (6)

где E_i - энергия i-го уровня (i = 1, 2, 3); h - постоянная Планка.

Если разность энергий (E₂ - E₁) достаточно велика, то излучение энергии будет происходить на оптической частоте. Акты спонтанной эмиссии происходят в случайные моменты времени. Следовательно, излучение не будет когерентным. Если возбуждать вещество с достаточно высокой интенсивностью, то число частиц на 2-м энергетическом уровне будет больше, чем число частиц на 1-м энергетическом уровне.

В этом случае получается так называемая «инверсная населенность». При этом поглощение энергии веществом становится отрицательным (т.е. происходит усиление), и первоначальное спонтанное излучение стимулирует излучение с одинаковой фазой. В результате генерируется относительно узкая спектральная полоса когерентного излучения. Для высокостабильных лазеров ширина линии может составлять от 10 до 100 Гц. Положительная обратная связь, необходимая для перевода лазера из режима усиления в режим генерации, достигается при помещении активного вещества в оптический резонатор, представляющий собой две отражающие поверхности на концах активного вещества. Одно зеркало изготовляется частично пропускающим излучение из полости резонатора (рис. 8).

Рис. 8

Излучение вдоль оси резонатора усиливается при каждом проходе через активное вещество. Неосевое излучение имеет малую энергию, так как оно не подвергается многократному усилению. Частота излучения определяется несколькими факторами. Генерация может происходить только на тех частотах внутри спектрального интервала, для которых резонансное усиление достаточное и превышает потери на поглощение. Центральная частота этого спектрального интервала определяется средним значением энергии стимулированного перехода. Спектральный интервал возможных частот генерации расширяется вследствие теплового движения атомов вещества (допплеровское уширение) и вследствие столкновений атомов.

Рис. 9

На рис. 9 приведена кривая относительного усиления с учетом уширения лазерного вещества в зависимости от частоты. Ширина огибающей кривой усиления по точкам половинной амплитуды обычно составляет величину порядка 1 ГГц.

Резонансные свойства резонатора определяют точные значения частоты или моды генерации внутри линии излучения.

Вдоль оси резонатора могут существовать те колебания, для которых расстояние между зеркалами равно целому числу полудлин волн. Для осевых мод условие резонанса следующее:

nl_c/2 = L_c, (7)

где L_c - расстояние между зеркалами (часто это длина активного вещества);

l_с - генерируемая длина волны;

n - целое число. Таким образом, возможные частоты мод будут

f_R = 0,5nc/L_c ,(8)

где с - скорость света,

Частотное разделение осевых мод

DF = 0,5c/L_c (9)

иc. 10

Для примера в одномодовом резонаторе частотное разделение осевых мод составляет 150 МГц. На рис. 10. показан частотный спектр аксиальных мод лазера.

Во многих случаях наличие многих осевых мод нежелательно. Например, в гетеродинном приемнике моды смешиваются друг с другом так же, как и с излучением гетеродина, приводя к потере полезной мощности.

Работа на одной моде может быть достигнута путем уменьшения длины резонатора. Это приводит к тому, что моды слабой интенсивности находятся ниже порога генерации. Однако во многих типах лазеров это приводит к уменьшению мощности лазера. Сегодня разработаны методы перекачки энергии лазера в одну моду путем использования частотной модуляции.

Лазер может также генерировать на поперечных модах. Несколько поперечных мод низкого порядка показано на рис. 11. Стрелки указывают направление ЭП. Обозначение TEM_mn фиксирует номер поперечных электромагнитных мод. Структура поперечных мод лазера зависит от типа зеркал резонатора и их юстировки. При соответствующем конструировании и настройке можно выделить ТЕМ₀₀-моду. Распределение интенсивности в поперечном сечении луча для этой моды совпадает с гауссовой кривой. При другой модовой структуре апертура передатчика формирует луч в дальней зоне, далекий от дифракционного предела. В настоящее время наиболее широко используются три основных типа лазеров: газовые, полупроводниковые и твердотельные, которые находят применение как в ВОСС так и в ЛАСС.

Рис. 11

Ниже кратко описаны принципы работы каждого типа лазеров и указаны их преимущества и недостатки с точки зрения использования в системах связи. В газовых лазерах (рис. 12) наиболее широко используются такие газы, как аргон, гелий-неон или двуокись углерода. Газы или смесь газов находятся в стеклянной колбе, в которой осуществляется электронный разряд.

Рис. 12

В результате разряда электроны бомбардируют атомы газа, переводя их на более высокий энергетический уровень. В большинстве случаев применяют разряд постоянным током, но возможна также и работа с разрядом переменного тока. Концевые зеркала стеклянной колбы обычно располагают под углом Брюстера ( ~ 57°), чтобы получить линейную поляризацию выходного луча. Есть два основных вида электронного возбуждения: непосредственно электронное и ударное атомное возбуждение.

В первом случае электроны разряда в результате столкновений с атомами вызывают заселенность верхних атомных уровней. Атомные ударные возбуждения обеспечивают возбуждение для лазеров, содержащих смесь газов, например, гелия и неона. Один из газов возбуждается прямыми электронными ударами. Возбужденные атомы этого газа затем ударяют невозбужденные атомы другого газа, имеющего такие же энергетические уровни, и обеспечивают инверсную заселенность во втором газе. Атомы гелия возбуждаются электронными ударами. Энергетические состояния гелия являются метаcтабильными и не имеют «разрешенного» перехода к более низкому энергетическому уровню. Когда атом гелия в метастабильном состоянии сталкивается с невозбужденным атомом неона, появляется большая вероятность энергетического перехода. В этом случае верхний энергетический уровень, неона оказывается заселенным и обеспечивает излучательную рекомбинацию.

Рис. 13

Находят применении в ЛАСС и ВОСС и твердотельные лазеры на рубине. Основные элементы рубинового лазера показаны на рис.1 Рубиновый стержень (длиною в несколько сантиметров) помещается внутри спирали кварцевой лампы-вспышки, обеспечивающей световую накачку. Для образования резонатора отражающие поверхности наносятся на концах стержня. Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме, с относительно невысокой частотой следования световых импульсов, что определяется теплоотводящими свойствами лампы-вспышки.