Лазерні діоди, їх різновиди
Дві головні конструктивні відмінності у лазерного діода в порівнянні зі світлодіодом.Перше, лазерний діод має вбудований оптичний резонатор.Друге, лазерний діод працює при значно більших значеннях струмів накачування, ніж світлодіод, що дозволяє при перевищенні деякого порогового значення струмів накачування отримати режим індукованого випромінювання. Саме таке випромінювання характеризується високою когерентністю (узгодженість коливань фазою), завдяки чому лазерні діоди мають значно меншу ширину спектра випромінювання (1-2 нМ) проти 30-50 нМ у світлодіодів.
Залежність потужності випромінювання від струму накачування описується ватамперною характеристикою лазерного діода (рис.14). При малих струмах накачування лазер відчуває слабке спонтанне (мимовільне) випромінювання, працюючи як малоефективний світлодіод.
При перевищенні деякого значення струму накачування Ithres, випромінювання стає індукованим, що призводить до різкого зростання потужності випромінювання та його когерентності. Потужність вихідного випромінювання POUT або вихідна потужність випромінювання світлодіода (output power) відображає потужність випромінювання, що вводиться в волокно. Поряд із традиційною одиницею виміру Вт вона може вимірюватися в дБм. Потужність POUT , виміряна в мВт (10 -3 Вт) буде відповідати потужності
Використання одиниці виміру дБм полегшує енергетичний розрахунок бюджету лінії. Потужність випромінювання, що приводиться в характеристиках оптичного передавача, може змінюватись в деякому діапазоні.
У разі вказують діапазон потужності випромінювання. Наприклад: -19 дБм −14 дБм означає, що POUT MIN = -19 дБм, а POUT МАХ = 14 дБм.
Рис.14. Ватт-амперні характеристики: 1- лазерного діода; 2 – світлодіода.
У магістральних ВОЛЗ використовуються два вікнапрозорості 1,3 та 1,55 мкМ. Оскільки найменше згасання у волокні досягається у вікні 1,55 мкМ, на надпротяжних безтрансляційних ділянках (L 100 км) ефективніше використовувати оптичні передавачі саме з цієї довжиною хвилі. У той самий час багатьох магістральних ВОЛЗ у складі ВОК входять лише ступінчасті одномодові волокна, мають мінімум хроматичної дисперсії в околиці 1,3 мкМ (волокон зі зміщеною дисперсією немає). На довжині хвилі 1,55 мкМ питома хроматична дисперсія у SMF (одномодове волокно) становить 17 пс/нМкм. А оскільки смуга пропускання обернено пропорційна ширині спектра випромінювання, то збільшити смугу пропускання можна тільки, зменшуючи ширину спектра випромінювання лазера. При ширині спектра = 4 нМ смуга пропускання на 100 км становить 63 МГц, а при = 2 нМ відповідно 1260 МГц.
Отже, для того, щоб оптичні передавачі на довжині хвилі 1,55 мкМ могли в однаковій мірі використовуватися на протяжній лінії не тільки з одномодовим волокном зі зміщеною дисперсією (DSF), але і зі східчастим одномодовим волокном (SMF), необхідно робити ширину спектра випромінювання передавачів якнайменше.
Чотири основні типи лазерних діодів набули найбільшого поширення: з резонатором Фабрі-Перо; з розподіленим зворотним зв'язком; з розподіленим бреггівським відображенням; із зовнішнім резонатором.
Лазерні діоди з резонатором Фабрі-Перо (FP-лазери).
Резонатор у такому лазерному діоді утворюється торцевими поверхнями, що оточують з обох боків гетерогенний перехід. Одна з поверхонь відбиває світло з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%, інша є напівпрозорою, забезпечуючи таким чином вихід випромінювання назовні.
Спектр випромінювання лазерного діода з використанням резонатора Фабрі-Перовідповідає многомодовому лазеру, тобто. має значні побічні максимуми. Причина виникнення пов'язана з умовами утворення стоячих хвиль. Для посилення світла певної довжини хвилі необхідне виконання двох умов. Перше – довжина хвилі повинна задовольняти співвідношенню2D=N, деD– діаметр резонатора Фабрі-Перо, аN– ціле число.
Друге, довжина хвилі повинна потрапляти в діапазон, в межах якого світло може посилюватися індукованим випромінюванням. Якщо цей діапазон досить малий, то має місце одномодовий режим із шириною спектра менше 1 нМ. В іншому випадку в область 0,5 можуть потрапити два або більше сусідніх максимумів, це відповідає багатомодовому режиму з шириною спектра від одного до декількох нМ. FP-лазер має не найвищі технічні характеристики, але там, де не потрібна дуже висока швидкість передачі даних, він, в силу більш простої конструкції, найкраще підходить з точки зору ціна-ефективність.
Лазерні діоди з розподіленим зворотним зв'язком (DFB-лазер) та з розподіленим бреггівським відображенням (DBR-лазер).
Резонатори у цих подібних типів є модернізацією плоского резонатора Фабри-Перо, куди додано періодична просторова модуляційна структура. У DFB-лазерах періодична структура поєднана з активною областю, а DBR-лазерах вона винесена за межі активної області. Періодична структура впливає на умови поширення та характеристики випромінювання. Так, перевагами DFB- і DBR-лазерів у порівнянні з FP-лазером є: зменшення залежності довжини хвилі лазера від точки інжекції та температури, висока стабільність одномодовості та практично 100% модуляція. Температурний коефіцієнт / для FP лазерів близько 0,5-1 нМ/К0 в той час як для DFB-лазера порядку 0,07-0,09 нМ/К 0 . Основним недоліком DFB- та DBR-лазерів є складна технологія виготовлення і, як наслідок, більш висока ціна.
Лазерний діод із зовнішнім резонатором (ЕС- лазер)
У ЕС- лазерах один або обидва торці покриваються спеціальним шаром, що зменшує відображення, і, відповідно, одне або два дзеркала ставляться навколо активної області напівпровідникової структури. Антивідбивне покриття зменшує коефіцієнт відображення приблизно на 4 порядки, в той час, як інший торець активного шару відображає до 30% світлового потоку завдяки френелівському відображенню. Дзеркало, як правило, поєднує функції дифракційної ґрат. Для покращення зворотного зв'язку між дзеркалом та активним елементом встановлюється лінза.
Збільшуючи або зменшуючи відстань до дзеркала, а також одночасно розгортаючи дзеркало-решітку (це еквівалентно зміні кроку решітки) - можна плавно змінювати довжину хвилі випромінювання, причому діапазон налаштування досягає 30 нМ. Внаслідок цього, ЄС- лазери є незамінними при розробці апаратури хвильового ущільнення та вимірювальної апаратури для ВОЛЗ. За параметрами вони схожі з DFB-і DBR-лазерами.
Інші характеристики лазерних діодів.
Важливими характеристиками джерел випромінювання є: швидкодія джерела випромінювання;деградація та час напрацювання на відмову.
Швидкодія джерела випромінювання.Експериментально вимірюваним параметром, що відображає швидкодію джерела випромінювання, є максимальна частота модуляції. Попередньо встановлюються пороги на рівні 0,1 і 0,9 від значення потужності світлового випромінювання при низькочастотній модуляції прямокутними імпульсами струму. У міру зростання частоти модуляції,тобто. при переході на менші масштаби за тимчасовою шкалою, форма світлових фронтів стає більш пологою. Для опису фронтів вводять час наростання rise та час спаду face потужності випромінювання. від значення потужності, що встановилося. Максимальна частота модуляції визначається як частота вхідних електричних імпульсів, при яких оптичний вхідний сигнал перестає перетинати порогові значення 0,1 і 0,9, залишаючись при цьому у внутрішній області. Для світлодіодів ця частота може досягати до 200 МГц, а у лазерних діодів – значно більше (кілька ГГц). Часи наростання та спаду надають інформацію про смугу пропускання W. Якщо припустити, що вони рівні між собою (а це не завжди так), то смугу пропускання можна визначити за формулою:
при
Деградація і час напрацювання на отказ.У міру експлуатації оптичного передавача його характеристики поступово погіршуються - падає потужність випромінювання і, зрештою, він виходить з ладу. Це з деградацією напівпровідникового шару. Надійність напівпровідникового випромінювача визначається середнім напрацюванням на відмову або інтенсивністю відмов. Лазерні діоди, що випускалися раніше, мали значно меншу надійність у порівнянні зі світлодіодами. В даний час завдяки вдосконаленню конструкцій і технології виготовлення значно підвищилася надійність лазерних діодів, яка стала такою ж, як і у світлодіодів. Час напрацювання на відмову становить близько 50 000 годин та більше (5-8 років).