Optoelektronika i fizyka materiałowa 1 Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne 1. 1.Lasery o stałej długości fal Lasery półprzewodnikowe: kompatybilność

Prezentacja na temat: "Optoelektronika i fizyka materiałowa 1 Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne 1. 1.Lasery o stałej długości fal Lasery półprzewodnikowe: kompatybilność"— Zapis prezentacji:

1 Optoelektronika i fizyka materiałowa 1 Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne 1. 1.Lasery o stałej długości fal Lasery półprzewodnikowe: kompatybilność zasilania z innymi układami elektronicznymi, wysoka częstotliwość graniczna modulacji, małe wymiary i masa, znaczna trwałość (10 6 h) i niezawodność. Lasery telekomunikacyjne: lasery nadawcze oraz lasery – pompy optyczne wzmacniaczy świa- tłowodowych EDFA i ramanowskich; emisja – 1300 nm, 1550 nm, 980 nm, 1480-1500 nm; lasery nadawcze: - -praca jednomodowa, mała szerokość linii emisyjnej - -możliwość przestrajania długości fali - -wysoka graniczna częstotliwość modulacji - -niski poziom szumów własnych - -wysoka niezawodność, długi czas życia W systemach WDM – odstęp między kanałami 50 GHz (25) stała długość fali i wąska linia. Wszystkie stosowane obecnie konstrukcje laserów telekomunikacyjnych oparte są na InP. Zasada działania – wzmocnienie optyczne uzyskuje się w obszarze czynnym lasera (heterostruk- tura z warstw różniących się szerokością pasma zabronionego). Dodatnie sprzężenie zwrotne przez nadanie wnęce optycznej kształtu rezonatora F-P (EEL – Edge Emittin Laser) lub wbu- dowanie siatki dyfrakcyjnej Bragga. Stosuje się też lasery z zewnętrzna wnęka optyczną (ECL). Prąd progowy – liczba nośników nie- zbędna do wywołania akcji laserowej. Moc wyjściowa lasera – funkcja różnicy prądu zasilajacego Laser i prądu progowego oraz energii emitowanych fotonów. SMK – Wykład 22

2 Optoelektronika i fizyka materiałowa2

3 3

4 4 Lasery ze studniami kwantowymi (MBE i MO CVD) – większe wzmocnienie różnicz- kowe a, mniejsza gęstość prądu progowego [1]. Typowy laser pp emituje linię o kształcie krzywej Lorentza i szerokości 100 MHz (P w =1 mW) - po- nieważ współczynnik załamania zależy silnie od gęstości elektronów, a emisja spontaniczna zmienia rozkład wsp. zał. zwiększając szum częstotliwościowy w emisji laserowej Szerokość linii emisyjnej maleje, gdy: - - wzrasta moc wyjściowa lasera, - - wzrasta wzmocnienie przyrostowe (maleje a) [1]

5 Optoelektronika i fizyka materiałowa5 Technologia MBE w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN w Warszawie

6 Optoelektronika i fizyka materiałowa6 Prąd progowy rośnie z temperaturą, maleje też sprawność lasera. Temperatura decyduje o położeniu maksimum wzmocnienia na skali energii, ma wpływ na wielkość współczynnika zała- mania i wymiary wnęki, co decyduje o długości emitowanej fali (rośnie z temperaturą). Dla InGaAsP/InP przesunięcie to wynosi 0.4-0.6 nm/ o C. Lasery jednoczęstotliwościowe Podczas modulacji amplitudy na dużych częstotliwościach jednomodowe lasery CW generują wiele modów podłużnych, występuje też zjawisko przeskakiwania modów. Laser generujące promieniowanie o jednej długości fali w warunkach wysokoczęstotliwościowej modulacji prądu - - lasery jednomodowe stabilizowane (DSM – Dynamic Single Mode) lub jednoczęstotliwoś- - -ciowe (SFL – Single Frequency Lasers) [1]. Lasery z selektywnym sprzężeniem zwrotnym (uzyskiwane za pomocą siatki dyfrakcyjnej, bę- dącej selektywnym zwierciadłem): - - DBR (Distributed Bragg Reflector) - - DFB (Distributed Feedback) - - lasery z zewnętrzną wnęką rezonansową – ECL (External Cavity Lasers) – mniejsza szerokość linii Tylko fale o długości B doznaja efektywnego odbicia. Przestrojenie długości fali lasera wynika ze zmiany współczynnika załamania 0.08-0.1 nm/ o C

7 Optoelektronika i fizyka materiałowa7

8 8 Lasery z pionową wnęką emitujące powierzchniowo (VCSEL – Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Oś podłużna wnęki prostopadła do warstw heterostruktury, jej długość odpowiada długości generowanej fali [1].

9 Optoelektronika i fizyka materiałowa9 Ograniczony reflektorami obszar aktywny zawiera kilka studni kwantowych, których położenie zgrane jest z maksimum natężenia pola optycznego we wnęce. Graniczna częstotliwość modulacji 14 GHz. Przykład – laser Alcatel: temperatura pracy do 45 o C, prąd progowy 16.5 mA, moc 1 mW, napięcie progowe 1.9 V. Właściwości: - - emitowana wiązka ma przekrój kołowy i małą rozbieżność (d=5 m), - - wiązka nie wykazuje astygmatyzmu, - - generują jeden mod podłużny nawet w warunkach szybkiej modulacji, - - pracują przy prądzie zasilania 33% EE F-P lub 25% DFB, - - nadają się do wytwarzania matryc monolitycznych, - - niższe koszty produkcji [1].

10 Optoelektronika i fizyka materiałowa10 2. Lasery półprzewodnikowe o przestrajalnej długości fali [2,3]:

11 Optoelektronika i fizyka materiałowa11 Nowe wymagania stawiane nadajnikom w torach światłowodowych pracujących w systemach WDM i DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) skłaniają do wprowadzania źródeł sygnałów optycznych o przestrajalnej długości fali [3]. Mechanizmy przestrajania długości fali: - - zmiana temperatury - - zmiana natężenia prądu (zależność wsp. zał. od gęstości wstrzykiwanych do lasera nośników Przestrajanie laserów DBR i DFB: Temperaturowe: 0.08 nm/ o C, zakres 5 nm.

12 Optoelektronika i fizyka materiałowa12 Przestrajanie wieloelektrodowych laserów DFB – w jednej sekcji wzmocnienie w drugiej przestrojenie Przestrajanie wielosegmentowych laserów DBR: dodatkowy, trzeci segment – kontroli fazy Maksymalny zakres przestra- jania lasera 3-segmentowe- go limitowany jest przez ogra- niczenie zmian długości fali w reflektorze DBR. Wzrost strat na absorpcję na swo- bodnych nośnikach. Przestra- janie do 10 nm [3].

13 Optoelektronika i fizyka materiałowa13 Struktury z filtrami siatkowymi: - - współbieżny sprzęgacz siatkowy GACC Grating Assisted Codirectional Coupler, VCF – Vertical Coupler Filter – para falo- wodów o różnej szerokości pasma zabr. z wbudowaną między nimi siatka dyfrakcyj- ną, zakres przestrajania do 57 nm [3]. - dwie siatki dyfrakcyjne z przerywanymi okresami (filtr SG – Sampled Grating) – segment obszaru wzmocnienia i segment kontroli fazy usytuowane między dwoma rozłożonymi reflektorami Bragga [3]. Pasmo wzmocnienia w układzie mate- riałowym InGaAsP/InP, jeżeli obszar czynny zawiera studnie kwantowe, wy- nosi około 200 nm! Długość fali może być przestrajana przez zmianę różnicy współczynników załamania obu falowodów.

14 Optoelektronika i fizyka materiałowa14 Periodycznie przerywana siatka dyfrakcyjna powoduje wielokrotne odbicia – periodyczne piki na skali długości fal. Laser SG DBR wzbudza się na długości fali, na której występują jednocześ- nie piki odbicia od każdego z reflektorów [3]. Lasery z zewnętrzną wnęką optyczną (ECL) – ośrodek wzmacniający oraz zwierciadło selek- tywnie odbijające fale (siatka dyfrakcyjna). Przestrojenie – zmiana kata padania wiązki z chipa na siatkę [3]. Zakres przestrajania lasera ograniczony jest tylko przez charakterystykę wzmocnienia optycznego w półprzewodniku (do 10 nm).

15 Optoelektronika i fizyka materiałowa15 Przykłądy konstrukcji nowoczesnych laserów przestrajalnych [3]. 1. DFB MG-SGC – zakres 34 nm, 40 ka- nałów DWDM o odstępie 100 GHz. 2 ak- tywne falowody grzbietowe, d=25 m, sprzężone w jeden falowód sprzęgaczem typu Y. Każda z 2 równoległych gałęzi falowodów podzielona jest na 3 sekcje z niezależnymi kontaktami doprowadzają- cymi prąd do 6 utworzonych w ten spo- sób laserów DFB. 2. Lasery GCSR – Grating assisted co-directional Coupler with rear Sampled grating Reflector [3] – 4 segmenty: wzmocnienia, sprzęgacza GACC, kontroli fazy i reflektora Bragga typu SG. Zakres 50 nm.

16 Optoelektronika i fizyka materiałowa16 3. Lasery SSG DBR – Superstructure Grating DBR [3] – siatki dyfrakcyjne zawierają pofałdowania o periodycznie zmieniającym się okresie. Zakres przestrajania 103 nm.

17 Optoelektronika i fizyka materiałowa17 4. Lasery ECL [3] – Littrowa i Littmana – długość fali odbijanej od siatki zależy od kąta, pod jakim pada na siatkę fala pierwotna, mechaniczny obrót siatki powoduje selekcję długości fali. Zakres przestrajania 100 nm. 5. Laser VCSEL Vertical Cavity Surface Emit- ting Lasers – zmiana długo- ści wnęki. Górne zw. DBR pokryto meta- liczną warstwą, do której przy- kłada się uje- mne napięcie. Siła elektrostat. ciągnie ramię zwierciadła w dół skracając wnękę – prze- strojenie w kierunku fal krótszych.Za- kres 80 nm [3].

18 Optoelektronika i fizyka materiałowa18 Literatura: 1. Bohdan Mroziewicz, Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne, część 1 – lasery o stałej Długości fali, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 215-224 2. Bohdan Mroziewicz, Lasery półprzewodnikowe o przestrajalnej długości fali: perspektywy Aplikacji w sieciach optycznych, Przegląd Telekomunikacyjny, 3(2002) 143-147 3. Bohdan Mroziewicz, Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne, część 2 – lasery prze- strajalne, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 329-337