Pprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne 1 Lasery o staej dugoci

Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne 1. Lasery o stałej długości fali 2. Lasery przestrajalne 1. SMK – Wykład 22 Lasery półprzewodnikowe: kompatybilność zasilania z innymi układami elektronicznymi, wysoka częstotliwość graniczna modulacji, małe wymiary i masa, znaczna trwałość (106 h) i niezawodność. Lasery telekomunikacyjne: lasery nadawcze oraz lasery – pompy optyczne wzmacniaczy światłowodowych 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 In. P. Zasada działania – wzmocnienie optyczne uzyskuje się w obszarze czynnym lasera (heterostruktura z warstw różniących się szerokością pasma zabronionego). Dodatnie sprzężenie zwrotne przez nadanie wnęce optycznej kształtu rezonatora F-P (EEL – Edge Emittin Laser) lub wbudowanie siatki dyfrakcyjnej Bragga. Stosuje się też lasery z zewnętrzna wnęka optyczną (ECL). Prąd progowy – liczba nośników niezbędna do wywołania akcji laserowej. Moc wyjściowa lasera – funkcja różnicy prądu zasilajacego Laser i prądu progowego oraz energii emitowanych fotonów. 1

2

3

Lasery ze studniami kwantowymi (MBE i MO CVD) – większe wzmocnienie różniczkowe A, mniejsza gęstość prądu progowego [1]. Typowy laser pp emituje linię o kształcie krzywej Lorentza i szerokości 100 MHz (Pw=1 m. W) - ponieważ 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] 4

Technologia MBE w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN w Warszawie 5

Prąd progowy rośnie z temperaturą, maleje też sprawność lasera. Temperatura decyduje o położeniu maksimum wzmocnienia na skali energii, ma wpływ na wielkość współczynnika załamania i wymiary wnęki, co decyduje o długości emitowanej fali (rośnie z temperaturą). Dla In. Ga. As. P/In. P 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, będącej 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 l. B doznaja efektywnego odbicia. Przestrojenie długości fali lasera wynika 6 ze zmiany współczynnika załamania 0. 08 -0. 1 nm/o. C

7

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]. 8

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 m. A, moc 1 m. W, napięcie progowe 1. 9 V. Właściwości: - emitowana wiązka ma przekrój kołowy i małą rozbieżność (d=5 mm), - 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]. 9

2. Lasery półprzewodnikowe o przestrajalnej długości fali [2, 3]: 10

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. 11

Przestrajanie wieloelektrodowych laserów DFB – w jednej sekcji wzmocnienie w drugiej przestrojenie Przestrajanie wielosegmentowych laserów DBR: dodatkowy, trzeci segment – kontroli fazy Maksymalny zakres przestrajania lasera 3 -segmentowego limitowany jest przez ograniczenie zmian długości fali w reflektorze DBR. Wzrost strat na absorpcję na swobodnych nośnikach. Przestrajanie do 10 nm [3]. 12

Struktury z filtrami siatkowymi: - współbieżny sprzęgacz siatkowy GACC Grating Assisted Codirectional Coupler, VCF – Vertical Coupler Filter – para falowodów o różnej szerokości pasma zabr. z wbudowaną między nimi siatka dyfrakcyjną, 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 materiałowym In. Ga. As. P/In. P, jeżeli obszar czynny zawiera studnie kwantowe, wynosi około 200 nm! Długość fali może być przestrajana przez zmianę różnicy współczynników załamania obu falowodów. 13

Periodycznie przerywana siatka dyfrakcyjna powoduje wielokrotne odbicia – periodyczne piki na skali długości fal. Laser SG DBR wzbudza się na długości fali, na której występują jednocześnie piki odbicia od każdego z reflektorów [3]. Lasery z zewnętrzną wnęką optyczną (ECL) – ośrodek wzmacniający oraz zwierciadło selektywnie 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). 14

Przykłądy konstrukcji nowoczesnych laserów przestrajalnych [3]. 1. DFB MG-SGC – zakres 34 nm, 40 kanałów DWDM o odstępie 100 GHz. 2 ak. Tywne falowody grzbietowe, d=25 mm, sprzężone w jeden falowód sprzęgaczem typu Y. Każda z 2 równoległych gałęzi falowodów podzielona jest na 3 sekcje z niezależnymi kontaktami doprowadzającymi prąd do 6 utworzonych w ten sposób 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. 15

3. Lasery SSG DBR – Superstructure Grating DBR [3] – siatki dyfrakcyjne zawierały pofałdowania o periodycznie zmieniającym się okresie. Zakres przestrajania 103 nm. 16

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 Emitting Lasers – zmiana długości wnęki. Górne zw. DBR pokryto metaliczną warstwą, do której przykłada się ujemne napięcie. Siła elektrostat. ciągnie ramię zwierciadła w dół skracając wnękę – przestrojenie w kierunku fal krótszych. Zakres 80 nm [3]. 17

Literatura: • 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 przestrajalne”, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 329 -337 18