1

Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne1. Lasery o stałej długości fali2. Lasery przestrajalne1.Lasery półprzewodnikowe: kompatybilność zasilania z innymi układami elektronicznymi, wysokaczęstotliwość graniczna modulacji, małe wymiary i masa, znaczna trwałość (106 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; laserynadawcze:- praca jednomodowa, mała szerokość linii emisyjnej- możliwość przestrajania długości fali- wysoka graniczna częstotliwość modulacji- niski poziom szumów własnych- wysoka niezawodność, długi czas życiaW 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 zwrotneprzez 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 zasilajacegoLaser i prądu progowego oraz energii emitowanych fotonów.

SMK – Wykład 22

2

3natężenie prądu [mA]

moc

wyj

ścio

wa

[mW

]

0 100 2000

10

20

30

40

50 20 40

60

80

100 C

))(2(

)]1

ln()1([

21

thdw

oc

i

th

IIqh

P

JRRLA

qdJ

4

Lasery ze studniami kwantowymi (MBE i MO CVD) – większe wzmocnienie różnicz-kowe A, mniejsza gęstość prądu progowego [1].

n-InP

p-InP

rozkład stopniowy1.25 1.16 1.08 nm

25 nm

5 do 9 nm

22.5 nm

100 nmsiatka dyfrakcyjna10 - 20 nm

rejon aktywnyInGaAs

QW

barieraInGaAsP

InGaAs

Typowy laser pp emituje linię o kształcie krzywej Lorentza i szerokości 100 MHz (Pw=1 mW) - po-nieważ współczynnik załamania zależy silnie od gęstości elektronów, a emisja spontaniczna zmienia rozkład wsp. zał. zwiększając szum częstotliwościowy w emisji laserowej

)1)(())(8( 22 a

P

Evf

mcm

w

sp

g

Szerokość linii emisyjnej maleje, gdy:- wzrasta moc wyjściowa lasera,- wzrasta wzmocnienie przyrostowe (maleje a) [1]

5Technologia MBE w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN w Warszawie

6

)exp()()( 1

1

o

thth T

TTTITI

Prąd progowy rośnie z temperaturą, maleje też sprawność lasera. Temperatura decyduje opołożeniu maksimum wzmocnienia na skali energii, ma wpływ na wielkość współczynnika zała-mania i wymiary wnęki, co decyduje o długości emitowanej fali (rośnie z temperaturą). DlaInGaAsP/InP przesunięcie to wynosi 0.4-0.6 nm/oC.

Lasery jednoczęstotliwościowe

Podczas modulacji amplitudy na dużych częstotliwościach jednomodowe lasery CW generująwiele 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 wynikaze zmiany współczynnika załamania 0.08-0.1 nm/oC

efef

B

BDFB Ln

m

221 2

B

d

ef

DBR m

n

2

7

p

n

siatka dyfrakcyjna

warstwa aktywna

p

n

siatkadyfrakcyjna

warstwa aktywna

siatkadyfrakcyjna

DBRDBR

8

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

kontakt m etalowy

kontakt m etalowy

wyjście lasera

warstwa blokująca

wnęka rezonansowa

warstwy typu p

warstwy typu n(przezroczyste)

lustro wyjściowe(częściowo przezroczyste)

dystans

dystans

obszar aktywny

p-DBR

dolne zwierciadłon-DBR

emisjakontakt elektryczny

(zasilanie)kontakt elektryczny

(przestrajanie)

tlenkowa warstwaograniczająca

(apertura tlenkowa)

górne zwierciadłon-DBR

kontakt elektryczny(podłoże)

InGaAs QWobszar czynny

9

Ograniczony reflektorami obszar aktywny zawiera kilka studni kwantowych, których położeniezgrane jest z maksimum natężenia pola optycznego we wnęce. Graniczna częstotliwość modulacji14 GHz. Przykład – laser Alcatel:temperatura pracy do 45oC, 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].

kropkakwantowa

bramka

kwantowykontakt

punktowy

obszardwuwymiarowy

(studnia)

V

bramka

10

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

11

Nowe wymagania stawiane nadajnikom w torach światłowodowych pracujących w systemach WDM i DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) skłaniają do wprowadzania źródełsygnałów 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/oC, zakres 5 nm.

12

Przestrajanie wieloelektrodowych laserów DFB –w jednej sekcji wzmocnienie w drugiej przestrojenie

I1 I2 I1 I2

a) b)

Przestrajanie wielosegmentowych laserów DBR: dodatkowy, trzeci segment – kontroli fazy

p-InP

n-InP

warstwaaktywna

siatkadyfrakcyjna

Falowód

I I IA P G

Maksymalny zakres przestra-jania lasera 3-segmentowe-go limitowany jest przez ogra-niczenie zmian długości faliw reflektorze DBR. Wzrost strat na absorpcję na swo-bodnych nośnikach. Przestra-janie do 10 nm [3].

13

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 segmentkontroli fazy usytuowane między dwomarozłożonymi reflektorami Bragga [3].

Pasmo wzmocnienia w układzie mate-riałowym InGaAsP/InP, jeżeli obszarczynny zawiera studnie kwantowe, wy-nosi około 200 nm!

Długość fali może być przestrajana przez zmianę różnicy współczynników załamania obu falowodów.

14

Periodycznie przerywana siatka dyfrakcyjna powoduje wielokrotne odbicia – periodyczne pikina 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 zchipa na siatkę [3].

Zakres przestrajania lasera ograniczony jest tylko przez charakterystykę wzmocnienia optycznegow półprzewodniku (do 10 nm).

15

Przykłądy konstrukcji nowoczesnychlaserów 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 zniezależnymi 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. Zakres50 nm.

16

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

17

4. Lasery ECL [3] – Littrowa i Littmana – długośćfali odbijanej od siatki zależy od kąta, pod jakimpada na siatkę fala pierwotna, mechaniczny obrótsiatki powoduje selekcję długości fali. Zakres przestrajania 100 nm.

5. Laser VCSELVertical CavitySurface Emit-ting Lasers –zmiana długo-ści wnęki.

Górne zw. DBRpokryto meta-liczną warstwą,do której przy-kłada się uje-mne napięcie.Siła elektrostat.ciągnie ramięzwierciadła wdół skracającwnękę – prze-strojenie wkierunku falkrótszych.Za-kres 80 nm [3].

18

Literatura:

• Bohdan Mroziewicz, „Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne, część 1 – lasery o stałejDługości fali”, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 215-2242. Bohdan Mroziewicz, „Lasery półprzewodnikowe o przestrajalnej długości fali: perspektywyAplikacji w sieciach optycznych”, Przegląd Telekomunikacyjny, 3(2002) 143-1473. Bohdan Mroziewicz, Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne, część 2 – lasery prze-strajalne”, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 329-337