Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи (стр. 10 из 11)

По своей конструкции полупроводниковые лазеры во многом подобны светодиодам, и в основу их принципа действия также положено явление инжекционной люминесценции. Однако лазерное излучение отличается от светодиодного монохроматичностью, направленностью, возможностью модуляции в широкой полосе частот. Кроме того, его высокая когерентность дает возможность более полно использовать информационную пропускную способность оптических каналов, применяя амплитудную, частотную, фазовую и другие модуляции оптического излучения.

5.3.1 Условия возникновения лазерной генерации

Рассматривая в разд. 3.2 инжекционную люминесценцию, мы полагали, что процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными электронными переходами зона-зона. Однако при некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Рассмотрим подробнее условия возникновения индуцированного или лазерного излучения. Сразу оговоримся, что данные уеловия будут справедливы для лазеров любого типа: полупроводниковых, газовых, твердотельных, на красителях и т.д.

Первое - необходимость активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения.

Второе - наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров таким механизмом является инжекция носителей заряда через р-п-переход, причем вблизи /?-п-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях выше, чем на низких.

Третье - наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Методы реализации положительной обратной связи могут быть самыми разнообразными. Одним из наиболее распространенных является использование резонатора Фабри-Перо, состоящего из двух плоскопараллельных зеркал, и обеспечивающего многократное прохождение оптического излучения через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола.

Четвертое - обеспечение условий ограничения (электрического, электронного и оптического). Электрическое ограничение состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область. Электронное ограничение требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла. Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. И, наконец, оптическое ограничение состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл. В инжекционных лазерах это требование обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча. Необходимо отметить, что для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения.

Пятое - наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д.

Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации. Рассмотрим условия возникновения лазерной генерации подробнее.

5.3.2 Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

Рассмотренные выше условия лазерной генерации излучения могут быть реализованы при протекании тока через полупроводник. Причем с момента создания первого лазера и по настоящее время структура полупроводниковых лазеров претерпела значительные изменения. Так, например, первые полупроводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшим

переходом. Основным недостатком подобных структур является несовершенство ограничительных свойств простого перехода. Кроме того, границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области, не определены четко и меняются в зависимости от тока накачки. Поэтому лазеры на однородных полупроводниках не получили широкого распространения и в настоящее время практически не используются. Другой, несколько более сложной, является односторонняя гетероструктура. Основное ее достоинство - это наличие практически идеального выполнения условий ограничения, но только с одной стороны перехода при незначительном усложнении технологии. И, наконец, доминирующей в промышленных образцах полупроводниковых лазеров в настоящее время является ДГС. Основным ее достоинством является выполнение условий электрического, электронного и оптического ограничений по обе стороны от активной области, что позволяет при малых пороговых токах инжекции получать в сверхтонкой активной области, лежащей между двумя гетерограницами, значительные потоки излучения. Дальнейшее развитие ДГС привело к созданию четырех- и пятислойных структур, которые позволяют оптимизировать размеры оптического волновода с точки зрения оптимальности модового состава излучения, при этом толщина области электрической накачки обычно существенно меньше толщины волновода

Наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры на основе соединений

В этой структуре более широкозонный материал получится из исходного материала путем замещения атомов на атомы в кристаллической решетке. Причем получаемый материал остается прямозонным вплоть до ).

Лазеры на основе этой гетероструктуры обычно работают в диапазоне длин волн от 0,75 до 0,9 мкм. Для более длинноволнового диапазона 1,3 и 1,55 мкм в настоящее время промышленностью осваиваются лазеры на основе

гетероструктуры, которые отвечают требованиям современных ВОЛС. Рассмотрим подробнее работу полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре Зонные диаграммы для этой ДГС в равновесном состоянии и при сильном положительном смещении приведены на рис. 3.21, а и 3.21, б соответственно. В равновесном состоянии при сильнолегированном слое уровень Ферми в узкозонном материале располагается внутри валентной зоны. Режим накачки лазера обеспечивается путем подключения гетероструктуры к источнику тока. Зонные диаграммы под действием тока, протекающего в положительном направлении, показаны на рис. 3.20, б. Высокий уровень инжекции через '-переход (слева) приводит к тому, что уровень Ферми оказывается внутри зоны проводимостей области. В результате в области наблюдается инверсия населенности между энергетическими уровнями вблизи дна зоны проводимости и уровнями

5.3.3 Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров

Рассмотрим систему параметров и характеристик, описывающих полупроводниковые лазеры.

1. Ватт-амперная характеристика, определяющая зависимость мощности излучения лазера от величины тока накачки. Типичная ватт-амперная характеристика полупроводникового гетеролазера приводится на рис. 3.23 [59].

На этой характеристике можно выделить три участка. Первый участок -светодиодный, т.е. участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения. На втором участке доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения. Такой режим работы называется суперлюминесценцией. И, наконец, третий участок, соответствующий режиму лазерной генерации. Мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, и зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна. Однако на практике не все обстоит так гладко. Часто в лазерах наблюдается пульсация оптической мощности, что выражается в наличии характерных перегибов на ватт-амперной характеристике (рис. 3.24) [10]. Такие перегибы характерны для лазеров с волноводным усилением. Причину появления перегибов связывают с перераспределением боковых и поперечных мод (так называемый эффект перескока мод), при этом выходная мощность излучения лазера возрастает с увеличением тока накачки существенно медленнее или даже падает до тех пор, пока не установится новый модовый состав излучения. Все вышесказанное является серьезной помехой для применения лазеров, когда требуется высокая линейность, и делает невозможной работу в аналоговом режиме. В таких лазерах проблему перескока мод удается решить путем уменьшения ширины активной области менее 10 мкм. Главная причина нестабильности при этом сохраняется, но порог возникновения при этом удается сдвинуть за пределы нормального режима.