Politechnika Lubelska

Wydział Elektryczny

Temat: Diody laserowe i ich konstrukcje

Wykonał:

Mariusz Podsiadły

Gr. ED 8.3

Lublin 1998

Istnieją dwa główne rodzaje diod laserowych (folia nr1). Konwencjonalne diody laserowe wykorzystujące zjawisko Fabry-Perota (diody laserowe FP ) oraz diody laserowe o dynamicznym modzie pojedynczym ( diody laserowe DSM ). Różnica pomiędzy tymi dwiema strukturami polega na odmiennej koncepcji strefy czynnej, w której występuje zjawisko laserowe. Diody laserowe DSM charakteryzują się czystym widmem jednomodowym, nawet wtedy gdy modulowane są sygnałem o dużej szybkości. Wśród wielu rodzajów diod laserowych DSM, diody o rozłożonym sprzężeniu zwrotnym DFB (Distributed Feedback) i o złożonym reflektorze Bragga DBR stanowią najbardziej rozpowszechniony rodzaj diod laserowych. Szybkie nadawcze diody laserowe o pojedynczym modzie wzdłużnym i szerokopasmowe diody odbiorcze o małym poziomie szumów potrzebne są do zrealizowania dalekosiężnych optycznych systemów transmisyjnych o dużej pojemności(folia nr 1). Istnieje kilka ważnych czynników, jakie muszą być brane pod uwagę przy realizacji takich systemów: charakterystyka nadawczych diod laserowych i odbiorczych diod lawinowych, a także układów elektrycznych w zakresie wielkich częstotliwości; charakterystyki widmowe sygnałów na wyjściu diod laserowych przy modulacji bezpośredniej szybkim strumieniem impulsów; dyspersja światłowodów i charakterystyki tłumienności transmisyjnej. W celu zrealizowania systemów o dużej przepływności, opracowano już bardzo szybkie diody laserowe, w których zredukowano resztkowe pojemności mikroukładów współpracujących z diodami laserowymi i zwiększono częstotliwość drgań relaksacyjnych. W diodach laserowych Fabry-Perota uzyskano częstotliwości krytyczne (odcięcia) rzędu 15 GHz. Charakterystyczna odpowiedź diody laserowej na małe sygnały modulujące zależna jest od częstotliwości drgań relaksacyjnych określonej wyrażeniem( folia nr2):

gdzie: A - różnicowe wzmocnienie optyczne, P_o - średnia gęstość fotonów w obszarze wzmocnienia,τ_p - czas życia fotonów obwodzie wnękowym lasera. Szerokość pasma modulacji bezpośredniej f_c (-3dB) może być znacznie mniejsza niż f_r w zakresie większych częstotliwości, wskutek obecności pasożytniczych elementów w zmontowanym mikroukładzie lasera i ich połączeń w układem sterowania. Diody laserowe DFB ( o rozłożonym sprzężeniu zwrotnym ) wykazują interesujące własności zarówno , jeśli chodzi o charakterystyki pracy z dużymi przepływnościami, jak i jeśli chodzi o małą szerokość linii widmowych. Rozmaite struktury szybkich diod laserowych DFB przedstawione są na rys. 6.18 (folia nr3) Dla wszystkich laserów, pokazanych na tym rysunku sekcja czynna warstwy ćwierfalowej, o grubości około 0,5 μm i szerokości 1,5 μm umieszczona jest pomiędzy warstwami InP o większym paśmie zaporowym w tak zwanej hetrostrukturze zagrzebanej (BH). Małą pojemność osiągnięto, wykorzystując wytrawioną heterostrukturę zagrzebaną mesa ( EM-BH ) lub wytrawioną płaską paskową heterostrukturę zagrzebaną mesa ( EM-FBH), samo dostrajającą się sprężoną strukturę mesa ( SACM ) albo przez nałożenie na współ izolującego obramowania z fosforku indu InP domieszkowanego żelazem Fe, albo też z poliimidu wokół obszaru czynnego w kierunku bocznym.

(Folia nr 4) Wartości progowe prądów wywołujących zjawisko laserowe wynoszą od 30 do 250 mA. Na rysunku (folia nr 5) pokazano najlepsze wymieniane w doniesieniach szerokości pasma modulacji w funkcji pierwiastka z mocy dla szybkich diod laserowych DFB. Nachylenie wynosi od 3,5 do 7 GHz/mW^1/2. Najlepsza szerokość pasma wynosi 17 GHz, otrzymana przez optymalizację domieszkowania warstwy czynnej oraz szerokości falowodu i rozstrojenie długości fali. Pokazano tez na tym samym rysunku wstępne wyniki uzyskane dla laserów InGaAs/InP o wielu studniach kwantowych ( MQW ). Ze względu na duże wzmocnienie różnicowe, od laserów MQW oczekuje się większej szerokopasmowości. Chociaż częstotliwość drgań relaksacyjnych 30 GHz uzyskano w czasie demonstracji dla laserów MQW wartość ta była znacznie mniejsza dla laserów MQW InGaAsP/InP .

Na jednomodową diodę laserową dużej mocy, jak byłaby przydatna do zwiększenia odległości międzyregeneratorowych w systemach z modulacją natężenia światła i z detekcją bezpośrednią ciągle jest duże zapotrzebowanie. W celu zwiększenia mocy wyjściowej było proponowanych kilka rodzajów struktur; jedna z nich dotyczyła zwiększania mocy lasera DFB, gdyż jest to jedyny laser o pojedynczym modzie wzdłużnym. Uzyskano na przykład stabilną pracę i duża moc laserów na falę 1,55 μm o rozłożonym sprzężeniu zwrotnym o małej szerokości linii widmowej przy transmisji koherentnej. (folia nr 4) Próbę poprawności jednorodności geometrycznej obszaru czynnego i zmniejszania grubości warstwy czynnej podjęto stosując zmodyfikowaną metodę chemicznego osadzania par MOCVD i technikę trawienia na sucho w celu jednoczesnego uzyskania małej szerokości linii widmowej i dużej mocy. Uzyskano małą szerokość linii 1 MHz i dużą moc 20 mW z lasera o rozłożonym sprzężeniu zwrotnym o cienkiej warstwie czynnej o grubości 0,07 μm i wnęce o długości 1,2nm. Nawet , chociaż wnęka była dosyć długa, zaobserwowano mały prąd progowy 20 mA. Opracowano także inne rodzaje diod laserowych, tzw. diody z zagrzebanym półksiężycem BC LD i diody z wyfrezowanym paskiem wewnętrznym w kształcie litery V na substracie fosforowym VIPS LD, pozwalające uzyskać moce wyjściowe rzędu 100 mW a nawet 200 mW. Oczywiście są to lasery o pojedynczym modzie poprzecznym. Uzyskiwane obecnie z pętli włókna jednomodowego moce są rzędu 10 mW dla dostępnych na rynku diod laserowych. Ale żywotności i niezawodność w dłuższym czasie przy tak dużych mocach będą jeszcze przedmiotem dalszych badań i prac rozwojowych. Ostatnio otrzymano moc wyjściową ponad 200mW w temperaturze pokojowej, stosując laser z wnęką o długości 700μm ze współczynnikiem odbicia 98% od ścianek: frontowej i tylnej.

Diody laserowe są wrażliwe na zmiany temperatury. Na rysunku (folia nr2) pokazano zmiany temperaturowe zależności mocy optycznej od natężenia prądu dla typowej diody. Jak widać natężenie prądu progowego rośnie ze wzrostem temperatury (około 1,5% na 1°C). Przy ustalonym natężeniu prądu wzrost temperatury powoduje spadek mocy optycznej. Istnieją dwa sposoby zapobiegania spadkom mocy: termoelektryczne chłodzenie diody oraz regulacja punktu pracy stosownie do termicznych przesunięć progu. Układ do chłodzenia termoelektrycznego działa na zasadzie złącza półprzewodnikowego, które zmieniają swoją temperaturę odpowiednio do kierunku przepływającego przezeń prądu. Układ zawiera też czujnik termistorowy sterujący prądem złącza chłodzącego stosownie do zmian temperatury diody laserowej. Całość układu chłodzącego jest zmontowana na wspólnej podstawce z dioda laserową, zamykając w ten sposób pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego stabilizującego temperaturę.

Diody laserowe są dość szybkie, czas narastania wynosi od 0,1 do 1 ns. Diody te mogą być modulowane przez sygnały analogowe o częstotliwościach sięgających kilku tysięcy MHz. Szerokość widma jednomodowego wynosi około 0,2 nm. Zastosowanie w systemie światłowodowym diody laserowej jednomodowej zmniejsza dyspersję materiałową we włóknie optycznym właśnie z powodu małej szerokości widma światła. Wiązka spójna diody laserowej jest szersza w płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do złącza. W efekcie dioda laserowa ma połówkową szerokość wiązki 10° w poziomie i 35° w pionie.

Diody laserowe montuje się w rozmaitych oprawkach. Dioda spoczywa tak jak pokazuje to rys.6.29 (folia nr 6 lub 5) na miedzianym radiatorze, jest skierowana krawędzią promieniującą w stronę szklanego okna obudowy. Diodę laserową sprzężoną fabrycznie z odcinkiem światłowodu przedstawiono na rys.6.30 (folia nr 6). Sprawność sprzężenia można tu zwiększyć przez umieszczenie soczewki między diodą a czołem światłowodu. Sprzężenie diody jako całości z resztą systemu światłowodowego jest najskuteczniejsze, gdy fabrycznie dołączymy odcinek światłowodu jest identyczny z resztą toru transmisyjnego.

Diody laserowe mogą być umieszczone w standartowych obudowach dwurzędowych, (folia nr 5). Końcówki elektryczne umożliwiają połączenie z diodą laserową, fotodetektorem, oraz z układem chłodzenia termoelektrycznego.

Diody laserowe stosuje się tam, gdzie jest to niezbędne z powodu dużego kosztu. Używa się ich w dalekosiężnych systemach o dużej szybkości transmisji, sprzęgając je z wielomodowymi gradientowymi lub jednomodowymi światłowodami. Systemy te mogą pracować w zakresie pierwszego lub drugiego okna propagującego. W drugim oknie tłumienie sygnału w światłowodzie jest mniejsze, co umożliwia realizację dłuższych odcinków transmisyjnych. Najwyższe wartości iloczynu długości i przepływności łącza osiąga się przez równoczesne zastosowanie światłowodu jednomodowego i diody laserowej jednomodowej promieniującej daleką podczerwień z zakresu drugiego okna propagującego.

1

5

---