Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Ла́зер (Laser, Light Amplification by stimulated Emission of Radiation) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.

Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов.  Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (Рис.8).

В полупроводнике плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны: зона проводимости с энергией Е_с и зона валентных электронов с энергией Е_v, между ними находится так называемая запретна зона с энергией Е_q.

Рисунок 1.8. Двухуровневая модель процессов в лазере

Зона Е_v соответствует базовому(минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии все электроны находятся именно в этой зоне. Если к электронам добавить энергию извне, приложить напряжение смещения к  p-n переходу в прямом направлении, то  через переход потечет электрический ток. При значительномU_см элементы с низкого энергетического уровня переходят на более высокий, т.е. часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходят в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри проводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах возникают положительно заряженные дырки.

Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки и другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает(поглощается). Если «падение» на нижний энергетический уровень (Е_v) происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Такой процесс называется спонтанным.

Частота определяется разностью энергетических уровней E_q, т.е. шириной запрещенной энергетической зоны:

 или

Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка».Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного уровня на другой. Но так как время перехода для всех электронов разное, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны  с неодинаковой амплитудой и фазой, а следовательно будут неоднородны по частоте. Этот свет и есть некогерентный (СИД). Т.е. в СИД используется механизм спонтанного излучения.

Для создания условия стимулированного излучения необходимо получить сильное электромагнитное поле (высокой концентрации фотонов) в веществе.

В основе работы когерентного источника, ЛД лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором. Широко используется резонатор Фабри-Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси Z.

Эти зеркала выполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси Z, за счет чего уменьшается число поперечных мод. Такой источник света излучает синфазные оптические волны, т.е. является когерентным. В таких структурах, с ПОС происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс, так называемое индуцированное(вынужденное) излучение. Это излучение при каждом переходе между зеркалами усиливается средой полупроводника, т.к. вызывает все новые и новые вынужденные излучательные комбинации носителей. Если общие потери меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект (стимулированное излучение). Стоит убрать зеркало, обеспечивающее ПОС, генерация прекращается, хотя спонтанное излучение остается. Для возникновения колебаний в лазере необходимо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения.

Генерация возможна одновременно на одной или нескольких продольных модах, т.е. излучение лазера происходит в каком-то спектре Δf, который гораздо уже, чем у некогерентных источников. Исходя из всего сказанного, можно представить схематично конструкцию лазера (Рис 1.9) 

Рисунок 1.9.Общая конструкция лазера

Что такое резонатор? В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора.

Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо) приведен на рисунке 1.10.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Рисунок 1.10. Резонатор Фабри – Перо

Важной характеристикой резонатора, как и любой колебательной системы, является его добротность,Q. Чем выше Q, тем меньше образуется мод.

 Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками.

Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров.

Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на: простейшие (гомолазеры); двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод;  с распределенной обратной связью (РОС);  с распределенными брэгговскими отражателями (РБО);  связанно – сколото - составные (С³); с внешней синхронизацией мод и т.д.

Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного полупроводника GaAs, представляющего собой параллелепипед с p-n-переходом, который перпендикулярен двум противоположным торцам кристалла.

Рисунок 1. 11. Простейший лазерный диод с p-n переходом

1-    электрический контакт;  2-плоскопараллельные грани;

3-неотражающие грани.

Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо. Отражение происходит за счет разницы показателей преломления полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней загрубляют, добиваясь их шероховатости, чтобы не было генерации в нежелательных направлениях. При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции Iн(накачки) возрастает, достигая порогового значения Iп, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект.

Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность Iн должна быть 30 . . . 100 А/см².

Такая большая плотность тока приводит к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При помещении кристалла в жидкий азот достигается длительная работа лазера.

Использовать гомолазер в ВОСП практически невозможно. ЛД для ВОСП должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения.

Уменьшение плотности тока Iни улучшение других характеристик достигается за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину Iн до 1 - 2 А/см².

Название "двойная гетероструктура" означает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Если увеличить Iн в ЛД с ДГС с широким контактом по все поверхности, то генерация сначала возникает в малой области 3-5 мкн. По мере увеличения I загорается всё больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, увеличиваются расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Также ЛД называются лазерами с полосковой геометрией.

 

Рисунок 1.12. Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной
гетероструктурой

При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R≈0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией (Рис.1.13).

Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.

Рисунок 1.13. Ватт-амперная характеристика лазерного диода

Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (Рис.14).

К основным характеристикам ЛД, определяющим возможность их использования в системах связи и передачи информации относятся:

    - мощность излучения и ее зависимость от тока модуляции;

    - диаграмма направленности;

    - спектр излучения;

    - срок службы;

Ватт-амперная характеристика ЛД. Это зависимость мощности излучения от тока накачки.

  При малых Iн наблюдается спонтанное излучение. Когда Iн увеличивается потери в структуре становятся соизмеримыми с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное (стимулированное) излучение. ВАХ – нелинейная.

По этой причине модуляция выходного излучения аналоговым сигналом без специальных мер линеаризации ВАХЛД невозможна (сложно и дорого).

Обычно применяют импульсные методы модуляции, тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.

При изменение температуры окружающей среды происходит сдвиг ВАХ. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используют электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Для ВОСП используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100 мкм, то излучение может достигнуть 100мВт.  В ВОСП этого не требуется.

Диаграмма направленности оптического излучения лазера несимметрична, её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости, параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости.

Рисунок 1.14 Диаграмма направленности оптического излучения лазерного диода:

а - ширина излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях;

б – зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.

На рисунке 1.14 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует ее эффективному вводу в ОВ с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

Спектр излучения. В спектральной области, где можно определить коэффициент усиления резонатора существуют только такие продольные моды, для которых длина пробега света в резонаторе туда и обратно равна целому числу длин волн. Интервал между соседними модами определяется выражением:

∆λ = λ²/2Nl ,

 где n-коэффициент преломления;

L –длина резонатора;  

λ- номинальная длина волны;

Так при λ=0,9 мкм, n=3,6 и L=300 мкм интервал между соседними модами составляет ∆λ=0,4нм.При этом ширина линии излучения одной моды не превышает 0,01нм.

 

Рисунок 1.15.Спектральная характеристика излучения лазера

Для снижения числа генерируемых мод используются дифракционные решетки. Излучатель, содержащий такую решетку,  получил название лазера с распределенной обратной связью (РОС).

Если дифракционную решетку расположить вне области накачки создается лазер с распределенным  бреговским отражателем (РБО).

В лазерах РБО генерируется только одна продольная мода, что делает их удобными при работе по одномодовому оптическому волокну в системах передачи со спектральным разделением каналов. Но они дороже, т.к. требуют высокой точности обработки.

Рисунок 1.16. Спектр ЛД с распределенным бреговским отражением

Срок службы и надежность. Проблема долговечности и надежности ЛД остается сложной и не до конца решенной. Для ВОСП требуются лазеры со сроком службы > 10⁵ и высоким КПД. На рисунке 1.17 показано изменение ВАХ ЛД при разных сроках непрерывной работы (0; 4000; 6000; 8000; 10000 часов) с излучаемой мощностью 5 мВт.

Рисунок 1.17. Ватт-амперная характеристка ЛД при непрерывной работе.