Semiconductor diode lasers and diode amplifiers

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Semiconductor diode lasers and diode amplifiers"

Θεόκριτος Ηλιόπουλος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Semiconductor diode lasers and diode amplifiers Lasers και οπτικοί ενισχυτές χρειάζονται ένα µέσο να παρέχει οπτική ενίσχυση. Η διαφορά µεταξύ τους είναι ότι το laser µπορεί να ταλαντώνεται και να παράγει οπτικό σήµα, ενώ ένας τέλειος ενισχυτής πρέπει να δεχθεί µια οπτική είσοδο την οποία και θα ενισχύσει σε οπτική έξοδο. Το κατώφλι ρεύµατος εξαρτάται από την θερµοκρασία

2 Συνθήκη κατωφλίου Τα ηµιαγώγιµα υλικά έχουν υψηλές τιµές δείκτη διάθλασης π.χ. n=3.5. Η κοιλότητα του laser σε Fabry-Perot κοιλότητα σχηµατίζεται από τις λειασµένες επιφάνειες κοπής των ηµιαγωγών. Ο συντελεστής ανάκλασης είναι Ηένταση της ακτινοβολίας φωτονίων hν µεταβάλλεται µε την απόσταση z όπου α είναι ο ενεργός συντελεστής απορρόφησης, Γ : confinement factor Lasing συµβαίνει όταν το gain υπερβαίνει τις απώλειες της κοιλότητας. Το µέγεθος του ανακλώµενου πρέπει να ειναι ισο µε το αρχικό κύµα Ι(2L)=I(0) όπου α i είναι οι εσωτερικές απώλειες και α είναι οι συνολικές απώλειες

3 Broad area laser Απλή επίπεδη δοµή: laser έχουµε κόβοντας µια επίπεδη pin δίοδο Χωρίς κανάλι κυµατοδηγού, χωρίς επίπεδο οριζόντιο περιορισµό Υψηλό κατώφλι ρεύµατος (1 Α) Υψηλή ισχύ (watts) µε κατάλληλη ψύξη (heatsink) Mέτρια ποιότητα ρυθµών (µονο ενα µικρο ποσοστό µπορεί να συζευκτεί σε sm ινα) εν χρησιµοποιείται στις τηλεποικινωνίες, αλλά για αντληση laser solid state.

4 Gain guided laser λωρίδα οξειδίου ή εµφυτευµένων ιοντων εν χρησιµοποιούνται για λειτουργία > 1µm, λόγω των ασταθειών που προκαλούνται από Auger επανασύνδεση. Χαµηλώτερο κατώφλι ρεύµατος (100 mα) Εµπορικα διαθέσιµα αλλά χαµηλή γραµµικότητα

5 Index guided lasers Ridge waveguide laser Οριζόντια κυµατοδήγηση µε τον κυµατοδηγό καναλιού Βελτιωµένη γραµµικότητα ρεύµατος-φωτεινής ισχύος Χαµηλό κατώφλι (10 ma) και µέτρια ισχύ (20 mw) στο βασικο ρυθµό. Etched mesa buried heterostructure laser

6 Οπτική ανάδραση για ταλάντωση laser Η απλούστερη µέθοδος οπτικής ανάδρασης είναι η κοιλότητα Fabry Perot. Μόνο µήκη κύµατος που ικανοποιούν την συνθήκη, θα προστεθούν θετικά και θα οδηγήσουν σε lasing Το FP laser µπορεί να ταλαντώνεται σε κάθε διακριτό µήκος κύµατος που ικανοποιεί την εξίσωση του FP και είναι στην οπτικο φάσµα ενίσχυσης του laser. m ακέραιος, αντιστοιχεί σε διαµήκες ρυθµό της κοιλότητας FP. Μεταξύ δυο γειτονικών ρυθµών ο διαχωρισµός του µήκους κύµατος λ είναι

7 Οπτικές κοιλότητες επιλογής ενός µήκους κύµατος Injection-locking of a FP laser Πολλαπλές κοιλότητες laser Το φάσµα των δυο ανεξάρτητων κοιλοτήτων ταιριάζει µόνο σε ένα µήκος κύµατος στο gain spectrum του laser. εξωτερική οπτική έκχυση ενός µήκους κύµατος, θα ενισχύσει τον πληθυσµό των φωτονίων για αυτό τον ρυθµό και θα ενισχύσει την εξαναγκασµένη εκποµπή του επιλεγµένου ρυθµού µπορεί να συµπιέσει διπλανούς ρυθµούς έως 30 db κρίσιµη επιλογή µήκους κοιλότητας και επιλεγµένου µήκους κύµατος έκχυσης. «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» cleaved-coupled-cavity lasers C 3 φιλτράρει λίγες συχνότητες της FP κοιλοτητας δεν χρησιµοποιείται ευρέως λόγω της δυσκολίας να διατηρηθεί η σωστή σύζευξη των κοιλοτήτων

8 Lasers µε ενσωµατωµένο φράγµα DFB laser έχει φράγµα σε όλη την ενεργή περιοχή, ενώ DBR έχει φράγµα εκτός της ενεργής περιοχής. DFB χρησιµοποιείται ευρέως στις τηλεπικοινωνίες. Οµοιόµορφα DFB laser µπορούν να ακτινοβολούν σε 2 µήκη κύµατος σε κάθε πλευρά του stop-band.

9 Distributed Feedback laser Distributed Bragg Reflector laser

10 Συµβολή δύο κυµάτων-φράγµα Αν έχουµε σε ένα ισότροπο υλικό µια περιοδική µεταβολή του δείκτη διάθλασης n αυτή µπορεί να περιγραφεί µε την ακόλουθη σχέση: Από την γεωµετρία του προβλήµατος προκύπτει ότι z r G go E r 1 o i( k1 r ωt+ φ ) (,) t = E () r e, E r 1 o i( k2 r ωt+ φ ) (,) t = E () r e. 2 2 x y 2π n() r = Cos( G r+ δ ), G = go Λ όπου r το διάνυσµα θέσης, G το διάνυσµα φράγµατος, Λ η περίοδος της µεταβολής και g o το µοναδιαίο διάνυσµα που ορίζει την διεύθυνση κατά την οποία υπάρχει η µεταβολή. Μια παράλληλη δέσµη µε κυµατοδιάνυσµα k 1 που διέρχεται από το µέσο µε την περιοδική µεταβολή του δείκτη διάθλασης δίνει περιθλώµενη µε κυµατοδιάνυσµα k 2 k 1 G k2 k1 = G G θ λ = k 1 sin Λ = 2 2 θ 2sin 2

11 External cavity Distributed feedback (DFB)

12 Distributed Bragg Reflector (DBR)

13 Quantum well lasers

14 Vertical Cavity Surface Emitting Light (VCSEL) κάθετη κοιλότητα εκπέµπει φώς µικρό µήκος (L) οδηγεί σε µεγαλύτερο λ ενισχύεται µόνο ο ρυθµός µε το µεγαλύτερο gain στην διπλανή δοµή 20 nm wells ενισχύουν το µήκος κύµατος εκποµπής άµεση και εύκολη σύζευξη µε τις οπτικές ίνες συµβατά µε τα επίπεδα ολοκληρωµένα κυκλώµατα

15 Vertical Cavity Surface Emitting Light (VCSEL) VCSELs have several inherent advantages. They generate a radially symmetric output beam due to their radially symmetric construction. Photolithography techniques used for MEMS production are easily adapted to produce VCSELs. They can be made in a variety of diameters, and densely integrated with each other, as illustrated in Figure. Also, they can be inte-grated with on-chip electronics for feedback and control. VCSELs employ a distributed Bragg reflector (DBR) as the mirrors. These DBRs are constructed by alternating layers of index-mismatched materials such as GaAs/ AlAs. This set of layers operates as a multilayer dielectric mirror. Fixed-wavelength VCSELs can be fabricated so that the cavity is in bulk, transparent material. These devices do not benefit from the great index mismatch that occurs at an air interface. Air gap devices have two inherent advantages. The reflection from the end mirrors is enhanced due to the high index mismatch at the air interface, and the release layer construction allows for a moving mirror design for tunability and modulation of the output wavelength.

16 Tuning of VCSEL VCSELs with movable mirrors are a primary example of a true MEMS source. Moving-mirror devices require release layerconstruction. Due to the short cavity length of the VCSEL, they have widely spaced cavity modes. This means that their output is very sensitive to changes in cavity length. Hence, these devices can be tuned over a broad spec-tral range of ~ 19 nm. Several methods of obtaining this motion are being investigated, and are discussed below. The cantilever arm tuning method developed at Stanford [Chang-Hasnain et al. 1996] uses a bias voltage to electrostatically adjust the cavity length. Voltage is applied between the cantilever arm and the substrate. The cantilever holds the end mirror of the laser. The end mirror and cantilever arm can be seen in Figure 18. Typical tuning voltage and current parameters for a 19.1 nm tuning range are 0-14V at 460 µα [Vail et al. 1996]. A peak optical power of 0.9 mw has been observed at 955 run.

17 Figure 19. Schematic of a tunable VeSEL with end mirror sus-current aperture and two or pended on four deformable arms. A flexible-structure with multiple support arms for cavity tuning was also developed at Stanford [Harris et al. 1996]. It uses a bias volt-age to electrostatically adjust the cavity length. The voltage is applied between the suspended structure and the substrate, which are indicated in Figure. The deflection of the structure allows a continuous tuning range of ~ 19 nm. The active region of these devices generally consists of a GaAs cavity with an oxidized AlAs three InxGalxAs / GaAs quantum wells placed in the intrinsic region of the p-i-n laser diode. The membrane is composed of a gold reflector/electrode on top of a SiOx/SiNxHylSiOx phase-matching layer and GaAs quarter wave layer. The metal reflector can be replaced with a dielectric mirror for better reflectance, but the reduc-tion in conductivity adversely affects the tuning voltage [Harris and Sugihwo 1996]. The bottom mir-ror is a DBR centered near 970 nm. The top mirror is a distributed structure which is composed of the membrane, air gap, and semiconductor air interface. These VCSELs have been operated with a 0.34 ma threshold current at 6.5% quantum efficiency [Sugihwo et al. 1997].

20 Εφαρµογές των ηµιαγώγιµων laser Compound semiconductors industry: $20 billion/year. laser market: 7% applications: fiber optic communication, optical data storage, mobile communication and optical interconnects. Biggest application: GaAs/AlGaAs lasers for CD players, million laser/year. InP-based lasers (1.3, 1.5 µm) are used for optical communications.

Σχετικά έγγραφα

p - n επαφή και εκπομπή φωτονίων

p - n επαφή και εκπομπή φωτονίων Οπτικοί πομποί Το οπτικό φέρον σήμα που εισέρχεται στις οπτικές ίνες παράγεται από: Led (Light Emission Diodes, Φωτοδίοδοι): εκπομπή ασύμφωνου (incoherent) φωτός, όπου η εκπομπή φωτονίων είναι αυθόρμητη.