Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne

1. Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne • Lasery o stałej długości fali • Lasery przestrajalne • 1. • 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 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

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

5. Technologia MBE w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN w Warszawie

6. 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/oC. • 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 lB doznaja efektywnego odbicia. Przestrojenie długości fali lasera wynika ze zmiany współczynnika załamania 0.08-0.1 nm/oC

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. 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 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 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].

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 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/oC, zakres 5 nm.

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

17. 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]. 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.

18. 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 prze- • strajalne”, Przegląd Telekomunikacyjny 4(2002) 329-337