Lasery VCSEL i ich odmiany długofalowe

Autorzy:Krzysztof HałaganMarcin Grajkowski

Rys.1. Poglądowy przekrój przez strukturę lasera VCSEL.

Rys. 2 Schemat i fotografia struktury lasera VCSEL.

Polski laser VCSEL

Testowany w 2004 r. (Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie) miał budowę:

•warstwy wytworzone przy metodą wiązek molekularnych,

•dolne zwierciadła Bragga - 24.5 powtórzeń par AlAs/GaAs o grubości ¼ długości fali i odbijalności 99.7%

•górne zwierciadła Bragga - 14.5 takich samych par o odbijalości 97%

•mikrownęka rezonansowa - zbudowana z GaAs o grubości optycznej 2 długości fali z 9 studniami kwantowymi z InGaAs zgrupowanymi po trzy.

• łatwiejszy niż w laserach krawędziowych montaż w układach elektronicznych,• mały prąd progowy i prąd pracy, dzięki małej objętości wnęki,• wydajne sprzęganie fali świetlnej do światłowodu,• planarność technologii wytwarzania pozwala na testowanie i selekcję przyrządów przed pocięciem na struktury,• mała wrażliwość długości emitowanego światła oraz progu akcji laserowej na zmiany

temperatury,• możliwość budowania zintegrowanych matryc powierzchniowych o precyzyjnie określonych wymiarach,• możliwość modulacji w bardzo szerokim zakresie częstotliwości,• niskie prądy zasilania (ze względu na małe rozmiaru obszaru aktywnego) powodujące długotrwałą żywotność przyrządu,•możliwość uzyskania wysokiego (większego niż 50%) stopnia konwersji energii elektrycznej na energię promieniowania (wysoka sprawność),•brak asymetrii poprzecznych rozmiarów emitowanej wiązki światła (przekrój wiązki jest

kołowy), mała rozbieżność wiązki,•możliwość generacji jednego modu podłużnego, niezależnie od zmian dynamicznych

układu (w szczególności zmian wraz z temperaturą).

Zalety struktury VCSEL.

Lasery oparte na rezonatorze F-P – powstaje w nich dużo modów podłużnych ograniczających osiągi przy większych dystansach. W przeciwieństwie do laserów VCSEL, lasery F-P wykazują asymetrie poprzecznych rozmiarów emitowanej wiązki światła (przekrój wiązki jest eliptyczny) - powoduje konieczność stosowania korygujących elementów optycznych.

Porównanie laserów VCSEL i F-P

Rys.4. Projekt lasera emitującego fale o długości 1310-nm firmy Infineon.

Rys.3. Długofalowy laser VCSEL firmy VertiLas.

Rys.5. Zależność tłumienia od długości fali.

Rys.6. Zależność dyspersji od długości fali.

Najmniejsze straty są dla fali o długości 1,55 m.

Najmniejsza dyspersja występuje dla fali o długości 1,3 m.

Rys.7. Moduł emitujący 3 mody w zakresie 1550-nm.

Problemy produkcyjne: 

• problemy z doborem odpowiedniego materiału: • InGaAsP ma niski współczynnik odbicia, trzeba użyć większej liczby warstw,• InGaAsN nie jest poznany na tyle, aby można go było używać w produkcji,

• za drogi w aby mógł konkurować z laserami o emisji krawędziowej,• nadal mają mniejsza moc od laserów o emisji krawędziowej.

Rys.8. Schemat budowy długofalowego laser VCSEL firmy Vertilas.

FIRMY BADAJĄCE DŁUGOFALOWE LASERY VCSEL.  Optical Communication Products (USA) • Badania nad laserami 1310-nm.• Szybkość modulacji 10 Gb/s (pierwsze ukażą się produkty o 2.5 Gb/s).• Możliwość pracy 15 mln godzin w normalnych warunkach pracy przy temperaturze 40C.  Honey International Inc. (USA) • Lasery 1310- i 1550-nm ukazały się na rynku w 2004 r.• Szybkość modulacji 10 Gb/s. • Prąd progowy poniżej 2 mA.• Moc wyjściowa 1mW.

Infineon Technologies (Niemcy) • W marcu 2003 pojawiły się pierwsze 1310-nm lasery VCSEL.• Tworzone na materiale GaInNAs/GaAs (bardzo dobra jakość luster).• Moc wyjściowa 3mW.• Szybkość modulacji 10 Gb/s (pierwsze ukazały się produkty o 2.5 Gb/s).

Vertilas GmbH (Niemcy) • Lasery VCSEL o długości fali od 1400 do 2050-nm.• Tworzone na materiale InGaAlAs/InP.• Problem nadmiaru ciepła został rozwiązany przez połączenie odprowadzania ciepła przez wysoce odbijające hybrydowe lustro metal/dielektryk z dobrym przewodnictwem ciepła.• Szybkość modulacji 10 Gb/s w temperaturze 20C. • Dystans modulacji do 20 km z zależności od prędkości modulacji.• Prąd progowy 0.4 do 1 mA.• Moc wyjściowa od 1 mW do 7 mW (praca wielomodowa).  BeamExpress Inc. (Szwajcaria) • Lasery VCSEL o długości fali 1550-nm.• Materiał AlGaAs/GaAs dla luster bragowskich i InP dla wnęki.• Dystans modulacji ponad 50 km przy szybkości modulacji 2.5 Gb/s w temperaturze pokojowej (faza testów).• Pompowanie optyczne (wkrótce ukażą się modele z pompowaniem elektrycznym).• Moc wyjściowa 3 mW w temperaturze pokojowej.

Rys.9. Różne modele laserów długofalowych VCSEL.

Rys.10. Obliczony numerycznie rozkład temperatury w typowym laserze VCSEL.

Rys.11. Dwuwymiarowa zintegrowana matryca powierzchniowa.

Rys.12. Zakres zadań w jakich 1310-nm VCSEL-y przejmą rynek telekomunikacyjny.

ŹRÓDŁA:

• http://www.pwt.et.put.poznan.pl • http://wtm.ite.pwr.wroc.pl• http://www.wemif.pwr.wroc.pl• Paweł Maćkowiak: „Opracowanie struktury azotkowego lasera o emisji powierzchniowej oraz jej optymalizacja przy użyciu trójwymiarowego i

samouzgodnionego modelu jego działania”.• Photonics Spectra, „VCSELs Go Long – Wave”, Wrzesień 2003• http://www.wsi.tu-muenchen.de/research/annual_reports/rep01/pdfs/54.pdf