Lasery VCSEL i ich odmiany długofalowe

1. LaseryVCSEL i ich odmiany długofalowe Autorzy: Krzysztof Hałagan Marcin Grajkowski

2. Rys.1. Poglądowy przekrój przez strukturę lasera VCSEL.

3. Rys. 2 Schemat i fotografia struktury lasera VCSEL.

4. 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.

5. Zalety struktury VCSEL. • łatwiejszyniż w laserach krawędziowych montaż w układach elektronicznych, • mały prąd progowy i prąd pracy, dzięki małej objętości wnęki, • wydajnesprzęganie 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, • możliwośćbudowania zintegrowanych matryc powierzchniowych o precyzyjnie określonych wymiarach, • możliwośćmodulacji 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).

6. Porównanie laserów VCSEL i F-P 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.

7. Rys.3. Długofalowy laser VCSEL firmy VertiLas. Rys.4.Projekt lasera emitującego fale o długości 1310-nm firmy Infineon.

8. Najmniejsze straty są dla fali o długości 1,55 m. Rys.5. Zależność tłumienia od długości fali. Najmniejsza dyspersja występuje dla fali o długości 1,3 m. Rys.6. Zależność dyspersji od długości fali.

9. 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.

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

11. 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 temperaturze40C. • 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).

12. 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 20C. • 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.

13. Rys.9.Różne modele laserów długofalowych VCSEL.

14. Rys.10.Obliczony numerycznie rozkład temperatury w typowym laserze VCSEL. Rys.11.Dwuwymiarowa zintegrowana matryca powierzchniowa.

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

16. 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