Материал: Элементы оптических систем связи

Лазерные полупроводниковые диоды (упрощенная конструкция приведена на рис. 14), наиболее широко используемые в системах телекоммуникации и связи являются сегодня оптимальными источники когерентного оптического излучения и имеют два основных конструктивных отличия от светодиодов.

Во-первых они обычно содержат встроенный оптический резонатор, а во-вторых, они работают при значительно больших значениях токов накачки, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов, рис. 4.

Рис. 14

Для ЛАСС находят применение лазеры в режиме коммутации добротности резонатора. С помощью оптической коммутации в резонатор вносятся большие потери, даже когда достигнута инверсная населенность. Как только добротность резонатора становится большой (вносимые потери малы), запасная энергия выделяется в одном гигантском импульсе. В режиме коммутации добротности (Q-коммутации) можно получить импульсные мощности, исчисляемые мегаваттами и даже гигаваттами. В настоящее время разработаны твердотельные лазеры с активным веществом на основе неодима и других редкоземельных элементов. Однако лишь немногие из них являются перспективными для использования в системах связи из-за низкой частоты следования световых импульсов и низкой эффективности. Повысить эффективность таких лазеров можно, используя накачку неодимового кристалла полупроводниковым лазером, КПД которого намного больше КПД лампы-вспышки.

Оптимальные, с точки зрения их использования в ЛАСС и ВОСС переходы можно получить в гетероструктурах используемых в инжекционных лазерах. Гетеролазеры имеют в десятки и даже сотни раз меньшую пороговую плотность тока, и значительно более высокий КПД, чем гомолазеры. Это вызвано, в частности, тем, что в гетеролазере нет необходимости лигировать полупроводник до вырождения (т.к. высокая концентрация носителей в рабочей области перехода достигается большой инжекцией электронов в базу), а это способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию при взаимодействии электронов с легирующими примесями.

Если толщины узкозонного и широкозонного полупроводников уменьшать до долей микрона, то можно создавать квантовые ямы - аналоги потенциальных ям (ядер) одиночных атомов, а уровни энергии такой ямы строго квантованы. Поэтому если, пропуская ток через такую структуру, так подобрать напряжение U, определяющего их энергию проходящих через потенциальные барьеры (AlGaAs) электронов, чтобы эта энергия соответствовала разрешенному уровню энергии в яме GaAs, когда U = U_раз, то электроны путем туннельного эффекта будут проникать в яму на эти уровни зоны проводимости, создавая инверсную населенность по отношению к дискретным уровням ям для дырок, имеющимся в валентной зоне GaAs. Это позволяет реализовать стимулированное излучение в такой яме. На этом принципе основана работа наиболее перспективных в настоящее время лазеров на квантовых ямах. Для повышения мощности таких лазеров используется не одна яма, а целая последовательность ям, образующих так называемую сверхрешетку, в которой отдельные уровни расплываются в узкие разрешенные зоны энергии (минизоны).

Обладая высокой диэлектрической проницаемостью, от качественно полированной поверхности получают отражение более 30%. Резонатор выделяет те типы колебаний, на которые он настроен, при этом поток будет усиливаться, если число индуцированных переходов с испусканием фотонов будет больше числа переходов с поглощением фотонов той же частоты. Для этого необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне превосходило число атомов на нижнем уровне, т.е. чтобы система находилась в состоянии инверсной заселенности.

Есть несколько вариантов конструктивного и технологического выполнения двойных гетеропереходов. Одной из наиболее распространенных является конструкция типа «зарощенной гетероструктуры» (рис.15) в которой волноводный канал образуется слоем p-GaAs имеющим высокий показатель преломления (n = 3,7), тогда как «заращивающие» его слои GaAlAs имеют более низкий показатель преломления, а световая волна в таких случаях, как известно, стремится в среду с большим показателем преломления. В таких структурах ширина полоски может быть доведена до 2 мкм и за счет этого пороговый ток при комнатной температуре может быть снижен до 10 мА при излучаемой мощности 1-2 мВт. В инжекционных лазерах есть три типа отражающих структур, которые являются частично отражающими зеркалами лазерных резонаторов Фабри-Перо.

Рис. 15

Во-первых, это обычная плоская граница p-GaAs и воздуха (торцевые ИЛ), которая дает коэффициент отражения

Г = (n - 1)²/(n + 1)² = 0,33, (10)

причем угол расхождения выходного луча в плоскости параллельной излучающему слою равен в этом случае »10¸30^о, а в перпендикулярной плоскости »30¸60^о.

Во-вторых, это - дифракционная решетка, которая в виде гофрированной поверхности наносится на участки длины h диэлектрика, являющегося продолжением слоя p-GaAs, там где этот слой не закрыт ограничивающим и контактным слоями.

Такие отражатели используют распределенное брэгговское отражение и называются РБО-отражателями. Шаг гофра обычно бывает 0,15 - 0,45 мкм. Этот шаг и угол ввода и вывода света, если свет выводится из РБО системы, обычно выбирается так, чтобы дифракционный максимум был направлен внутрь слоя p-GaAs (резонатора). И, наконец, ввод и вывод излучения может производиться с помощью призмы, которая располагается на расстоянии 0,2l от пленки p-GaAs, и хотя идущий снаружи луч, отражающийся от нижней грани призмы, испытывает полное внутреннее отражение, он все же частично (за счет эффекта оптического туннелирования) проникает в пленку и возбуждает в ней волну, причем КПД перехода луча бывает до 80 - 90% при согласованной призме.

Кроме того, в лазерных диодах часто используются резонаторы с распределенной обратной связью, работа которых основана на отражении волн от периодической серии неоднородностей, образованных в волноводе, являющемся обычно активной средой.

Инерционность лазерных диодов (при модуляции тока) определяется емкостями и сопротивлениями распределенных структур и бывает порядка 10^-10 - 10^-9с, а полный КПД излучения может достигать 45%.

Таким образом, резюмируя, можно отметить, что газовый лазер в настоящее время является наилучшим источником мощного непрерывного высококогерентного оптического излучения (ЛАСС), твердотельные лазеры предпочтительнее для работы в импульсном режиме (аналоговые ВОСС). Полупроводниковые лазерные диоды, разработанные сегодня для различных применений, являются основой построения как ВОСС, так и ЛАСС и представляют для нас основной интерес.

Зависимость мощности излучения лазерных диодов Р_ЛИ от тока накачки I_нак описывается ватт-амперной характеристикой. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки I_порог, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис. 16 (ватт-амперные характеристики 1 - лазерного диода, 2 - светодиода).

Рис. 16

Мощность выходного излучения Р_вых или выходная мощность излучения светодиода (output power) отражает мощность вводимого в волокно излучения или излучаемую в свободное пространство. Наряду с традиционной единицей измерения Вт она может измеряться в дБм. Мощности Р_вых, измеренной в мВт (10^-3 Вт), будет соответствовать мощность р_вых = 10×1g Р_вых (дБм). Использование единицы измерения дБм упрощает энергетический расчет бюджета линий. Мощность излучения, приводящаяся в характеристиках оптического передатчика, может варьироваться в некотором диапазоне. В таких случаях указывают диапазон мощности излучения (output power range). Например, -19/-14 дБм означает, что р_{вых мин} = -19 дБм, а р_{вых макс} = -14 дБм.

В магистральных ВОСС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L » 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС в состав BOK входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм×км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. Как будет показано далее, при ширине спектра Dl = 4 нм полоса пропускания на 100 км составляет 63 МГц, а при Dl = 0,2 нм соответственно 1260 МГц, то есть, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.

Наибольшее распространение сегодня получили следующие типы лазерных диодов: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским отражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Пера (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

На рис. 4 б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Из рисунка следует, что наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = Nl, где D - диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Dl_0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется очень высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть когда реализуется одномодовый режим излучения и Dl мало, с ростом скорости передачи у FР лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра Dl (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).

Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом формирования оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо [2].

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы этих, конструктивно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 17а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 17б).

Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Dl/DТ для FР лазера порядка 0,5-1 нм/^oС, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/^oС. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

а

б

в

Рис. 17

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В EC лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис.17 в показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражающее покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зepкало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку (эквивалентно изменению шага решетки), можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для BOСC [3]. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

Основное преимущество лазерных диодов, как отмечалось выше, состоит в том, что они допускают непосредственную модуляцию простым изменением тока возбуждения. В соответствии с длиной волны излучения источники подразделяют на «коротковолновые», работающие в диапазоне 0,8...0,9 мкм, и «длинноволновые», излучающие на длинах волн от 1,2 до 1,7 мкм.

Ширина линии излучения лазерных диодов на основе р-n-перехода в GaAs не превышает 0,0017Ǻ и переход в этот режим осуществляется путем повышения тока накачки выше порогового значения, как показано на рис.18. Обладают они и высоким КПД 70-80%. Такие лазерные диоды могут быть созданы буквально микронных габаритов, причем время установления в них излучения порядка 10^-12-10^-13 секунды. Это позволяет использовать их не только в ЛАСС и ВОСС, но и для создания сверхбыстродействующих схем и отдельных элементов для ЭВМ, сопрягаемых с оптическими системами связи.