Izhodna moč in frekvenčna pasovna širina svetlobnega vira

Transcript

1 . Svetlobi viri.. Lastosti svetlobih virov Ključi elemet za komuikacijo po optičem vlaku je svetlobi vir. Zaj imamo štiri zahteve:. izhoda moč vira,. frekveča pasova širia, 3. preča kohereca, 4. možost modulacije.... Izhoda moč i frekveča pasova širia svetlobega vira Električi izvori so karakterizirai z močjo i frekvečim spektrom F(ω), ki ga lahko podamo tudi kot časovo odvisost apetosti u(t). V optiki časove odvisosti e moremo meriti zaradi previsoke frekvece svetlobe, saj ima recimo sigal z valovo dolžio 55 m frekveco f 94 THz. Za prikaz svetlobih sigalov je torej mogo primerejši frekveči prostor, kjer prikažemo jakosti spekter F(ω), ki pa e osi iformacije o fazi. Iz slike, ki prikazuje spekter optičega sigala, razberemo optičo moč i valovo širio. c f f () c f F(ω) f ω f, ω f, ω Slika : rikaz izhodega sigala iz svetlobega vira v frekvečem prostoru. Če je izvor svetlobe zelo ozek, defiiramo širio spektra s količio, ki se imeuje vzdolža kohereča dolžia d. To je razlika poti, ki jo mora v iterferometru (slika ) prepotovati svetloba, da iterfereca izgie. c d l l () f Vidimo torej, da je mogoče širio spektra svetlobega sigala lahko podajati kot: valovodolžisko širio, frekvečo širio f, koherečo dolžiod. 8

2 LASER polpropusto zrcalo l polpropusto zrcalo zaslo zrcalo l zrcalo Slika : Iterferometer.... reča kohereca Ker frekveči spekter e podaja iformacije o fazi v optiki potrebujemo za opis vira še eo količio prečo kohereco, ki am pove, ali so posamezi izvori sofazi. To količio imeujemo preča kohereca D. reča kohereča dolžia je tista dolžia, pri kateri pri razmikaju rež iterefereca izgie. vir R zasloka zaslo opazovaja iterferece r>> D Slika 3: Defiicija preče koherece. V primeru majhe preče koherece imamo opravka z eodvisimi izvori (LED). V primeru velike ali celo eskoče koherece imamo opravka s sihroiziraimi izvori (LASER). 83

3 .. Tipi svetlobih virov Vrste svetlobih virov i jihova področja uporabe so zelo razoliki. Namembost svetlobih virov se razteza od razsvetljave preko merile tehike, telekomuikacij i idustrijskih aplikacij vse do medicie. V tem poglavju se bomo sezaili s splošimi svetlobimi viri, polprevodiško svetlečo diodo i zlasti z lasersko diodo ter visoko koheretimi komuikacijskimi laserji.... Toploto-svetlobi viri Tipiči predstavik toploto-svetlobih virov je žarica s tugsteovo žarilo itko. Nitka oddaja svetlobo, ko se zaradi svoje uporosti segreje do take stopje, da zažari. ovzročitelji so elektroi, ki izstopajo iz svoje orbite, ko skozje steče elektrika. Ko elektroi vajo poovo vstopajo, oddajajo svetlobo i toploto. ribližo 95% eergije se spremei v toploto i le 5% v svetlobo. Žarice z žarilo itko se izdelujejo za izhode moči od, W do kw. Tovrsti izvori iso kohereti, lahko pa se izdelajo v zelo majhih izvedbah, kar izboljša kohereco. F() (a) (b) Slika 4: Običaja žarica (a) i žarica primera za optiko (b) ter optiči spekter. rimer: Koliko je frekveči pas f optičega toplotega vira s spektralo širio čez celoto vido področje od vijoliče (,38 µm) do rdeče (,76 µm) svetlobe? 8 3 m/s c 8 3 m/s f 789,47 THz f 394,74 THz -6 c -6,38 m,76 m f f - f 789,47 THz - 394,74 THz 394,73 THz Toploto-svetlobih virov se zaradi toplote vztrajosti e da hitro modulirati. rehode pojav pri žarici zaša tipičo ekaj milisekud. V optičih komuikacijah se toploto-svetlobi izvori uporabljajo v merili tehiki, kjer potrebujemo širokospektrali vir svetlobe ali izvor šuma. 84

4 ... Tlivke i obločice TLIVKA izek tlak žari celote pli OBLOČNICA e sam preboj visok tlak primer: eoka zelo velike, majha moč Slika 5: Tlivka i obločica. primer: cesta svetilka majhe, velika moč Spekter i zveze, temveč je sestavlje iz spektralih črt, kot prikazuje slika 6. Spektrale črte ustrezajo eergijskim ivojem W m molekul plia, ki se ahaja v viru. Ioizacija plia v tlivki predstavlja velik preskok med eergijskimi ivoji. ri prehodu molekule iz višjega a ižji ivo pride do oddaje fotoa, kar imeujemo spotaa emisija. Frekveca oziroma valova dolžia oddaega fotoa je odvisa od razlike med eergijskimi ivoji. W f (3) h h c (4) W h je lakova kostata, ki zaša 6,64-34 J s. Iz praktičosti se pri eergijskih ivojih za eoto uporablja ev, ki je primerejša kot eota J. WU Q, kjer je Q elektria eega elektroa ev,6-9 J F() Slika 6: Optiči spekter tlivke ali obločice. 85

5 W 3 W 3 W W osovo staje Slika 7: Eergijski ivoji plia. rimer: Kolikša je eergija fotoov v videm področju od vijoliče (,38 µm) do rdeče (,76 µm) svetlobe? Iz predhodega primera sledi, da pripadajoče področje obsega pas med 395 THz i 789 THz W h f 6,64 J s 789 Hz 5,3 J 3,3 ev W h f 6,64 J s 395 Hz,6 J,6 ev Tlivke so dimezijsko zelo velike, obločice so ekoliko majše. Tako ee kot druge imajo velike izmere svetila, kar vodi v slabo prečo kohereco. reča kohereca je pri tlivkah i obločicah boljša kot pri toplotih virih. K temu prispevajo predvsem diskreti spekter i izredo ozke spektrale črte. Širia je teoretičo eskočo majha, vedar v fizikalem svetu prihaja do razširitve spektralih črt. Vzrok temu sta toploto gibaje molekul i trki med jimi. Toploto gibaje molekul, ki sevajo fotoe z določeo frekveco, zižujejo i povečujejo jihovo frekveco zaradi Dopplerjevega pojava. Dopplerjev pojav, ki je prikaza a sliki 8, je prevladujoč mehaizem razširitve spektrale črte v pliskih soveh. Glede a opazovalca svetlobe je vektor termiče hitrosti sevajočih atomov aključo porazdelje. Atomi, ki se gibljejo proti opazovalcu, izkazujejo Dopplerjev premik proti višji frekveci i obrato. Razširitev spektra zaša 6 3 kar pri sobi temperaturi zaša, (5) f GHz. atom v Slika 8: Toploto gibaje molekule plia, ki oddaja foto. Zaradi termičega gibaja doživljajo molekule plia, s temperaturo T, pogoste medseboje trke. Trki med molekulami so še pogostejši zaradi visokega tlaka plia. o trku se spremei faza sevajočega fotoa, kar se izkazuje kot fazi preskok. Ker je povpreči čas med dvema trkoma mogo krajši od 86

6 časa trajaja oscilacij, se v času sevaja fotoa dogodi mogo fazih skokov, ki v kočem učiku razširjajo frekveči pas. Električa modulacija tlivk i obločic je mogoča, vedar je odzivi čas omeje s prehodim pojavom, ki zaša približo mikrosekuda. Seveda električe modulacije i eostavo izvesti, ker imamo visoko apajalo apetost...3. Svetleča dioda (LED) Delovaje LED (agl. Light Emittig Diode) je tudi vezao a eergijske ivoje. Kot je prikazao a sliki 9, imajo električe sovi dva eergijska pasa, ki ju imeujemo prevodi i valeči pas. Glede a velikost prepovedaega pasu W med prevodim i valečim pasom ločimo sovi v prevodike, polprevodike i izolatorje. olprevodiki imajo prepoveda pas velik ekaj ev, kar je mogoče izkoristiti za sevaje vide i ifrardeče svetlobe. W prevodi pas prepoveda pas W valeči pas Slika 9: Eergijski ivoji polprevodika. ri rekombiaciji elektro-vrzel se sprosti eergija v obliki: fotoa (svetloba), fooa (toplota). Verjetost, da se pri rekombiaciji elektro-vrzel v siliciju (Si) sprosti foto, je foto -4. Verjetost, da se pri tej rekombiaciji sprosti foo, je foo 99,99 %. Verjetost, da se pri rekombiaciji elektro-vrzel v galijevem arzeidu (GaAs) sprosti foto je približo 5 %. Torej je tudi verjetost, da se pri tej rekombiaciji sprosti foo približo 5 %. ri izdelavi svetlobega izvora iz polprevodika želimo uporabiti sov, ki bo dala čim več svetlobe. LED imajo boljši izkoristek kot običaja svetila. rve svetleče diode so bile iz GaAs, kaseje pa so preizkušali še ostale kombiacije sovi, ki so prikazae v tabeli a sliki. Elemetari polprevodiki, posebo Si, so bili zelo uporabi v razvoju mikroelektroike, imajo pa ekaj pomembih slabih lastosti. Njihov prehod med eergijskimi pasovi je idirekte. ri idirektem prehodu imajo osilci izredo dolgo življejsko dobo, česar posledica je majha kvata učikovitost sovi. To pomei, da zelo slabo oddajajo svetlobo i je jihov absorpcijski koeficiet izek. Za soče celice je Si tehološko ustreze, ampak zaradi majhega prepovedaega pasu je učikovitost pretvorbe izka. Takoj je postalo jaso, da običaji polprevodiški materiali iso primeri za uporabo v optoelektroiki, zato so se raziskovalci obrili k sestavljeim polprevodikom, ki so poujali mogo želeih lastosti i jih je bilo mogoče sitetizirati brez večjih težav. Sestavljei polprevodiki so, kot pove že ime, izdelai iz elemetov, ki pripadajo različim stolpcem periodega sistema. rimer so III-V, II-VI, IV-VI ali IV-IV spojie. Zgodovisko gledao so bili ajprej izdelai III-V sestavljei polprevodiki (ISb leta 95), ki so tudi ajveč uporabljai. Njihova glava predstavika sta GaAs i I. Sestavljei polprevodiki imajo eako povprečo valečo število kot elemetari polprevodiki. 87

7 sov Širia prepovedaega eergijskega pasu [ev] Ge,67 85 Si, 7 Meja valova dolžia [m] barva Ga, 59 rumea/zelea GaAs,9 64 rdeča I,35 98 GaAs, IR 85 m ISb,7 793 GaN 3,5 354 Modra/UV SiC 3,5 35 Modra/UV GaAl,8, I,53 Ga,47 As, IGaAs,87 45 IR 3 i 55 Slika : Tabela polprevodikov s pripadajočimi širiami eergijskega pasu. Svetlečo diodo uporabljamo v prevodi smeri, kot prikazuje slika. Vedo jo priklopimo preko upora, kar pomei, da imamo tokovi izvor. Če je LED zasovaa kot je prikazao a sliki, se vsi astali fotoi poovo absorbirajo. R svetloba W prevodi pas N valeči pas W x Slika : Slabo zasovaa LED. ri pravilo zasovai fotodiodi, ki jo prikazuje slika, svetloba izhaja a vrhu i so ostali deli fotodiode prozori, tako da se svetloba v jih e absorbira. Ustvarje foto se e absorbira, ker ima premalo eergije. R svetloba heterostruktura N GaAs GaAlAs GaAs W prevodi pas valeči pas W x Slika : Dobro zasovaa LED. 88

8 Odzivi čas LED je od do s. Svetloba i polariziraa, ker je geeracija fotoa aključa. Ker je LED ekoherete izvor s slabo prečo kohereco, imamo zelo slab sklopi izkoristek (η< %). Svetleča dioda je razmeroma majhe izvor (primerljiv z jedrom mogorodovega vlaka). Napetost a LED je odvisa od barve, ki jo LED oddaja. rimer: Izračuaj apetost a LED, ki oddaja svetlobo z valovo dolžio 9 m. h c W W U Q e U 34 8 h c 6,64 Js 3 m/s 9 6 Q,6 As,9 m e,4 V opt m 75 m 85 m 95 m Slika 3: rimer optičega spektera LED. Svetilost LED z urami obratovaja počasi upada. LED ima zelo dolgo življejsko dobo, ki jo defiiramo s. urami (več kot let), pri čemer se smatra, da do takrat oddaja vsaj 5% svetlobe, ki je deklariraa pri ovi diodi. V primerjavi s klasičimi žaricami a žarilo itko, ki imajo življejsko dobo ur, drži LED ajma -krat dlje. Odlikuje pa jih tudi odporost a treseje i udarce. 89

9 ..4. LASER L. Schawlow, ki ga skupaj z ekaterimi drugimi štejemo za izajditelja laserja, je izdelal prvi laser leta 958. rav odkritje laserja kot vira koherete svetlobe je omogočilo astaek ovih tehologij i med jimi v prvi vrsti razvoj optičih komuikacij. rvi LASER (Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio) je bil ojačevalik svetlobe, ki je izkoriščal pojav stimulirae emisije v rubiovem kristalu. V zadjih 4-ih letih so bili razviti laserji različe amembosti, ki kot optičo ojačevalo sov uporabljajo zelo različe materiale v različih agregatih stajih, a primer:. pliski laserji,. laserji trdega telesa, 3. tekočiski laserji liski LASER rva stvar, ki jo želimo doseči pri delovaju laserja, je obrata aseljeost a eergijskih ivojih N >N. preboj 8% He % Ne Slika 4: Tlivka apoljea s helijem i eoom. l5 cm 3 steklea cev Γ (ω) zrcalo steklea kapilara Γ (ω) zrcalo - + Slika 5: liski HeNe laser. Negativa elektroda mora biti velika, ker se segreva, medtem ko iz je izhajajo elektroi. Naloga steklee kapilare je zgostitev električega toka i prazjeje spodjega eergijskega ivoja s pomočjo trkov Ne atomov ob stee kapilare. Zrcali s frekvečo odviso odbojostjo Γ (ω) i Γ (ω) pogojujeta barvo laserja (rdeč, oraže, rume, zele,...). ri HeNe laserju, ki e uporablja frekvečo odvisi zrcali, iha le-ta z valovo dolžio m. Ojačaje za rdečo svetlobo (63,8 m) je pri HeNe db/m. 9

10 ri pliskem laserju je dolžia resoatorja veliko večja od valove dolžie. Takše resoator torej omogoča ihaje a velikem številu rodov. Slika 6 prikazuje prve štiri rodove, ki so rešitev resoačih pogojev. osameza resoača frekveca je večkratik polovice valove dolžie c f, (6) N N N N3 N4 Slika 6: Rešitve za resoator. rimer: Izračuaj število vzdolžih rodov, ki jih omogoča resoator HeNe laserja z dolžio l5 cm, ki iha a cetrali frekveci f N 474 THz. c fn N N,, 3,... l fnl 474 THz,5 m N 7 c 8 3 m/s 5 G resoace Slika 7: Resoace laserja. 9

11 rimer: Razdalja med zrcali helij-eoske laserske cevi (dolžia cevi) zaša l5 cm. Izračuajte frekveči razmik med sosedjima spektralima črtama laserja, ko cev iha a več vzdolžih rodovih! Lomi količik razredčeega plia v cevi je zelo blizu eote, cev iha samo a osovem prečem rodu. l N l ( N + ) l f f f f c N + N c l l c f c l 8 c 3 m/s l,5 m 6 MHz 56 Brewsterjev kot Slika 8: liski laser z Brewsterjevim okom. 9

12 ..4.. olprevodiški LASER olprevodiški laserski čip je zelo majha aprava, kar am omogoča, da dosežemo velike gostote toka skozi polprevodik di J. (5) da Velike gostote toka povzročajo iverzo porazdelitev delcev, ki omogočajo lasersko ojačaje. Sprva so se takše aprave uporabljale pri izkih temperaturah T~77 K (tekoči dušik). I W prevodi pas N svetloba N W N W valeči pas Slika 9: Zasova laserja. Moži sta dve izboljšavi glede a predhodo svetlečo diodo: Izgubo svetlobe, ki že tako težko astae, preprečimo z uporabo heterostrukture. Optiči spekter izboljšamo s selektivejšim resoatorjem svetlobe. I 5 µm W,5 µm W N W 5 µm µm 4 µm Slika : Struktura laserja. N spoj z vgrajeim pravokotim valovodom mora imeti večji lomi količik kot okolica >. Širia prepovedaega eergijskega pasu mora zuaj zašati več kot v valovodu W > W. Nameščaje zrcal a kocih čipa i potrebo, ker imajo polprevodiki lomi količik od 3,5 do 4, kar pomei, da so odbojosti od kocev velike. Lasersko ojačaje G 4 db/m. 93

13 94 W W G 4 db/m Γ Γ W N Slika : rerez laserja. 9 m 3 m 55 m GaAlAs (jedro) IGaAs (jedro) terari polprevodik GaAs (obloga) I (obloga) leta 98 leta 99 Slika : Izbor polprevodika. rimer: Izračuaj, koliko svetlobe se odbije a meji polprevodik-zrak, če valovaje vpade pravokoto θ V a mejo iz polprevodika z lomim količikom 4!,6 5 3 θ si cosθ θ si cosθ V V V V TE + + Γ,6 5 3 θ si cosθ θ si cosθ V V V V TM + + Γ,6,6,6 TM TE + Γ + Γ Γ 36% vpada odbita Γ

14 olprevodike izberemo glede a želeo izhodo valovo dolžio. Do leta 98 so zali izdelati zgolj laserje, ki so oddajali svetlobo 9 m. V letu 99 so s pomočjo terarih polprevodikov izdelali laserje, ki so oddajali svetlobo z višjimi valovimi dolžiami. I J plasti I I 5 µm,5 3 µm I GaAs I Ga I m m Slika 3: lasti v prerezu laserja. Na straeh valovoda imamo osirimašeo področje I, zato da se ves tok skocetrira skozi valovod. Valovod je izdela s pomočjo MBE tehologije, ki omogoča izaje zelo take plasti. Take plasti tvorijo MQW strukturo, ki se obaša kot večkrata kvata jama (multiple quatum well). Toča sestava WQW še i dorečea i je v fazi raziskav ter razvoja. olprevodiški laser oddaja svetlobo z jakostjo približo 3 mw a obeh straeh laserskega čipa, kot prikazuje slika 4. 5 % svetlobe torej mečemo stra. I 3 mw Γ N Γ 3 mw Slika 4: rerez laserja. Ojačaje laserske sovi je različo za različi polarizaciji. Običajo velja, da je G TE >G TM. Tudi loma količika valovoda sta različa glede a polarizacijo. Lomi količik valovoda je za TE polarizacijo večji od lomega količika obloge, kar pomei, da prihaja do vodeja TE valovaje. Nasproto velja, da je lomi količik valovoda za TM valovaje majši od lomega količika obloge, kar pomei, da TM valovaje ima pogojev za vodeje. olarizacija, ki izhaja iz valovoda je torej vodorava, kot prikazuje slika. 95

15 I h TE w E l G TE > G TM > TE svetloba TE > > vodi TE valovaje TM < > e vodi TM valovaja Slika 5: olarizacija valovaja iz laserja. Ker imamo tri dimezije, dobimo TE l, TE m i TE, kar lahko zapišemo TE l,m,. Višia valovoda h,5 µm je majhe izmere, tako da vodi samo e rod. Širio valovoda w lahko izbiramo, torej laser lahko iha a več rodovih. Običajo zaša w5 µm. Dolžia valovoda l podaja ojačaje laserja i je običajo velika, ker potrebujemo veliko ojačaje. ri polprevodikih je dolžia valovoda v okviru od µm do 5 µm. Rodovi, ki izhajajo iz takega laserja, so TE,,, kjer prvi dve ičli ozačujeta osova rodova. rimer: olprevodiški laser vsebuje resoator, kjer predstavljata zrcali odbojosti polprevodik/zrak a mejih ploskvah čipa. Izračuajte potrebo dolžio l valovoda v čipu, da aprava zače delovati kot laser! Dielektriča kostata polprevodika zaša ε r 4 za svetlobo z valovo dolžio,3 µm. Lasersko ojačeje v valovodu pri izbraem delovem toku doseže G5 db/m za TE polarizacijo. ε r 3,74 ΓTE, a db log Γ TE 4,758 db adb 3 lg + adb l,95 m,95 mm G rimer: Izračuaj število vzdolžih rodov, ki jih omogoča resoator polprevodiškega laserja z dolžio l4 µm. Lomi količik polprevodika zaša 3,7, za svetlobo z valovo dolžio 85 m. l N N N,,3,.. l 3,7 4 µ m N 34 rodov 34 polvalov 85 m 96

16 G TE 3 - m G mi 5 m resoace Slika 6: Spekter laserske diode. rimer: Izračuaj frekveči razmik med posamezimi vzdolžimi rodovi v resoatorju polprevodiškega laserja z dolžio l4 µm. Lomi količik polprevodika zaša 3,7, za svetlobo z valovo dolžio 85 m. f c c l l 8 3 m/s 3,4 m 3,7 GHz rimer: Izračuaj število rodov, a katerih dejasko iha laser, če je širia ojačevalega pasu 5 THz. M f c g l 5 THz GHz 5 rodov Frekveči spekter laserja je odvise od toka. ri tokih, ki so ižji od koleskega toka, laser oddaja epolarizira zveze šum. ri koleskem toku je spekter seštevek spektra LED i LASERJA. Nad koleskim tokom se spekter preoblikuje v glavik rodov, ki je začile za Fabry-erojeve laserje. ri ormalem delovaju imajo od 3 do vzdolžih rodov. 97

17 svetlobe [mw] TE + TE + TE TE - TE - LASER 5 C epolariziraa svetloba LED I pragovi I [ma] Slika 7: Frekveči spekter Fabry-erojevega laserja v odvisosti od toka. svetlobe [mw] moč zažiga C 5 C 5 C I pragovi I Slika 8: Temperatura odvisost karakteristike polprevodiškega laserja. ragovi tok za polprevodiški laser, ki oddaja optičo moč 3 mw pri sobi temperaturi T5 C zaša od ma do 5 ma. Večji pragovi tokovi so predvsem začili za starejše laserje, ki so jih izdelovali pred leti. ri sodobih laserjih je pragovi tok ižji i zaša tudi do 5 ma. ragovi tok se veča z višajem temperature I prag T T ( T + T ) I ( T ) e. (6) prag kjer je T sprememba temperature, T pa je specifiča karakterističa temperatura substrata. Majša kot je T, bolj občutljiv je laser a spremembe. Na primer pri GaAlAs zaša K 3 K, pri IGaAs pa zaša 6 K 8 K. 98

18 Za običaje polprevodike je evara povišaa temperatura. ri zižaju temperature pri istem toku laser odda večjo optičo moč i lahko pride do zažiga zrcal i s tem uičeja laserja. Za polprevodiške laserje je torej evarejša ižja temperatura. rimer: olprevodiški laser ima pri T5 C pragovi tok I 5 ma, ki se pri T'35 C poveča a I ' ma. Laser sicer krmilimo s kostatim tokom I3 ma. Kolikšo moč ' pričakujemo iz laserja pri T'35 C, če daje laser moč 3 mw pri T5 C? 3 mw T5 C T '35 C I 5 ma I ' ma I3 ma I α ' α ( I I ); I I ' I I ( I I '); I I ' I I I I ' 3 ma - ma ' 3 mw I I 3 ma -5 ma ' mw Temperatura sprememba ima vpliv tudi a izhodi spekter. S povečajem temperature se podaljša dolžia resoatorja i poveča lomi količik, zaradi česar se spekter premake proti višlim valovim dolžiam. Temperaturi koeficiet spremembe / T pri GaAlAs zaša, m/k, pri IGaAs pa zaša,8 m/k. Ker se s spremembo temperature spremija položaj i oblika ojačeja ima F laser pri višji temperaturi majše število rodov. 99

19 Slika 9:. α h -3 db α Slika 3: Smeri diagram sevaja laserja. Smeri diagram je posledica ukrivljaja valovih frot a izhodu iz valovoda. Do ukrivljeosti pride zaradi različih poti od koca valovoda. Ničla v smerem diagramu se pojavi, ko je razlika poti eaka, kot prikazuje slika 3. h si α. (7) Kot, pri katerem se ahaja ičla, je določe z α arcsi h h <<. (8)

20 ičla h α l α Slika 3: Določitev ičle v smerem diagramu. Ker ima valovod v laserskem čipu različo širio i višio, se ičla razlikuje od orietacije čipa. Laserski žarek e proizvaja okroglega žarka, temveč žarek v obliki eliksoida, kot prikazuje slika 6. rimer: Izračuaj kot za obe polarizaciji, pri katerem astae v sevalem diagramu polprevodiškega laserja ičla, če ima valovod širio w5 µm i višio h,5 µm i iz laserja izhaja svetloba z valovo dolžio 85 m. α α w,85 µ m,7 rd 5 µ m E,85 µ m h,5 µ m H 3 o 9 o α H α E h w Slika 3: Oblika izhodega žarka.

21 laser skupa masa moitor FOTODIODA LASER ' kroglasta GRIN leča leča eorodovo vlako oko ohišje zuaje ohišje Slika 33: rerez ohišja laserja. ri sklopu svetlobe si pomagamo s kroglasto i GRIN lečo, ki je leča z gradietim lomim likom. ri tovrstem laserju imamo približo 5 % sklop svetlobe iz laserja a eorodovo vlako. η ' sklopa 5 % (3 %... 7 V vlako a ta ači sklopimo optičo moč ', ki zaša od do mw. Spektrala širia tovrstega laserja zaša... m Odziv laserja je τ 3 ps. %) (9) hladilo rebro N N N N baker FOTODIODA LASER kroglasta leča GRIN leča eorodovo vlako NTK 5 C 5 Slika 34: rerez ohišja laserja.

22 Baterija termočleov je sestavljea iz kockic močo dopiraih polprevodikov, ki služijo za odvajaje toplote, ki astaja v laserskem čipu. NTK upor am omogoča stabilizacijo temperature laserskega čipa a T ±, C. Cea laserskega čipa je približo evro, kar je 5-krat maj kot cea celotega laserja. Večio dearja se amreč porabi za izdelavo ohišja i motažo laserja. NTC termistor GRIN leča eltier-ova toplota črpalka optiči izolator hladilo rebro eorodovo optičo vlako moitorska fotodioda laserski čip ohišje ferula Slika 35: Fotografija prereza ohišja laserja. VCSEL Vertical Cavity Surface Emitig LASER olprevodiški laser z vertikalo resoačo votlio daje a izhodu žarek okrogle oblike, kar omogoča eostave direkte spoj a optičo vlako, brez vsakrših leč. mw zrcalo koviski kotakti l aktivo področje N zrcalo Slika 36: rerez VCSEL. 3

23 Laser s porazdeljeim sklopom V zahtevejših optičih povezavah prevladujejo laserji, katere odlikuje zelo ozek spekter, saj so optiče zveze, ki so izdelae s takimi laserji, precej maj občutljive a disperzijo. Z ameom izboljšaja spektra svetlobe, ki izhaja iz laserja, je potrebo vgraditi dodate mehaizme spektrale selektivosti. Najbolj ugodo bi bilo, če bi bila širia spektrale črte čim majša, razdalja med črtami pa večja od širie ojačeja sovi, tako da bi se zotraj ojačeja pojavila samo ea spektrala črta. Rešitev za povečao spektralo selektivost je povrati sklop, ki je porazdelje po dolžii aktivega elemeta. Če tak sklop uresičimo a primeri dolžii resoatorja, odpade potreba po diskretem zrcalem odboju a obeh kocih aktive sovi. orazdelje povrati sklop i s tem dodato selektivost uresičimo s periodičo strukturo. eriodiča struktura, ki je izdelaa iz večjega števila sovi z različimi lomimi količiki, vese dodato selektivost. Od vsake plasti se valovaje delo odbije, kot prikazuje slika 36. Odboj od eega preskoka je v praksi zelo majhe i zaša samo Γ -3. ri Braggovi valovi dolžii se am valovi azaj seštejejo. eriodiča struktura torej deluje kot frekvečo odviso zrcalo. Λ Slika 37: Braggovo zrcalo. Za implemetacijo zrcala v obliki periodiče strukture obstajata dve možosti. Glede a izvedbo tako dobimo DBR ali DFB laser. ri DBR (Distributed Bragg reflector) laserju imamo porazdeljeo Braggovo zrcalo, kot prikazuje slika 36. orazdeljeo Braggovo zrcalo je periodiča motja, kjer se sigal delo odbije. Zrcalo je frekvečo odviso i selektivo. ri DFB (distributed-feedback) laserju imamo v celoti strukturi porazdeljeo povrato vezavo, kot prikazuje slika 37. Na sredii imamo preskok za /4, zato da se odboji iz obeh strai seštejejo v fazi. Če preskoka e bi bilo, bi laser ihal a dveh rodovih. I koviski kotakti / 3 AR AR Γ (ω) Γ (ω) N Slika 38: rerez DBR laserja. 4

24 I koviski kotakti /4 preskok / 3 AR AR N Slika 39: rerez DFB laserja. Atirefleksi (AR) sloj a kocu laserja je ujo potrebe, ker bi v asprotem primeru koči odboj motil delovaje periodiče strukture. erioda zobčkov je /, kar pomei, da je vsak zobček velik /4 i vsak utorček /4. rimer: Kakša je dimezija zobčka oziroma utorčka pri laserju za 55 m? 55 m ,7 m svetlobe [mw] TE LASER 3 MHz 5 C epolariziraa svetloba LED I pragovi I [ma] Slika 4: Frekveči spekter laserja s periodičo strukturo v odvisosti od toka. Širia spektrale črte pri laserjih z vgrajeo periodičo strukturo je približo 3 MHz, kar je za 4 -krat boljše kot pri F laserju. rimerjalo tabelo med kvalitetami različih virov prikazuje tabela a sliki 4. f -7 širia spektra i ikakrše omejujoč dejavik v optičih komuikacijah, zato ožje črte, kot jo imajo laserji z vgrajeo periodičo strukturo, e potrebujemo. 5

25 širia spektrale črte f -3 f -4 f -7 f -9 f -4 oscilator F laser električi RC oscilator laser z vgrajeo periodičo strukturo električi oscilator s keramičim kristalom atomska ura Slika 4: frekveči spekter laserja s periodičo strukturo v odvisosti od toka.. Nevšečost laserjev z vgrajeo periodičo strukturo Zaradi povečaega toka je večje število prostih osilcev elektroov i s tem lomi količik polprevodika. Zaradi povečaega lomega količika se poveča izhoda valova dolžia ( I ). (9) ri modulaciji s tokom pride torej tudi do frekveče modulacije i s tem do umete razširitve spektra. Ta evšečost se sicer dogaja tudi pri F laserju, vedar zaradi širšega spektra tega e opazimo. Če se želimo izogiti frekveči modulaciji, je potrebo uporabiti zuajo modulacijo, ki jo izvedemo s pomočjo zuajega optičega modulatorja. F(ω) I I I 3 3 Slika 4: Frekveči spekter laserja s periodičo strukturo v odvisosti od toka. Ta pojav lahko uporabimo za električo uglaševaje valove dolžie, pri čemer je svoboda spremijaja valove dolžie približo,5 m.. Nevšečost laserjev z vgrajeo periodičo strukturo Vsak odboj od zuaj azaj v laser z vgrajeo periodičo strukturo pokvari spekter laserja. Če se želimo izogiti povratim odbojem, je potrebo uporabiti optiči izolator. DFB l Γ Slika 43: riključitev laserja a optičo vlako brez izolatorja. 6

26 Faradayev rotator 45 polarizator polarizator Slika 44: Mageto optiči izolator. rimer: olprevodiški DFB laser s širio spektra 3 MHz je skloplje z lečami a izhodo svetlobo vlako brez optičega izolatorja. Koliko aj bo dolžia vlaka, da odboj e bo motil delovaja laserja? Dolžia mora biti večja od vzdolže kohereče dolžie d c d f 6 3 m/s 3 MHz m rimer: olprevodiški DFB laser za azivo valovo dolžio 55 m je skloplje z lečami a izhodo svetlobo vlako brez optičega izolatorja. Določite razdaljo med sosedjima rodovoma, med katerima preskakuje laser zaradi delega odboja svetlobe a koektorskem spoju vlake a razdalji l m od laserja! (c3 8 m/s, jedra,46) f c,7 MHz l 3 f 8,3 m,83 pm c DFB l m 3. Nevšečost laserjev z vgrajeo periodičo strukturo Zaradi zgradbe i uporabljeih materialov pri tovrstih laserjih je izhoda valova dolžia odvisa od temperature laserskega čipa, saj se s spremembo temperature spremei lomi količik polprevodika v laserju. Temperatura sprememba valove dolžie pri DFB laserju je majša od temperaturega 7

27 koeficieta F laserja i zaša tipičo,8 m/ C, lahko pa je v mejah od, m/ C do, m/ C. Zato je pri tovrstih laserjih uja uporaba dragega pakiraja v 4-pisko»butterfly«ohišje s termoelektričim eltierovim hladilikom, ki prepreči drseje valove dolžie. rimer: Izračuaj premik valove dolžie pri DFB laserju s temperaturim koeficietom, m/ C, če je temperatura poleti 35 C i pozimi - C. (- C) 55 C T 35 C - 55 C, m/ C 5,5 m Ta pojav lahko uporabimo za temperaturo uglaševaje valove dolžie, pri čemer je svoboda spremijaja valove dolžie približo 5 m. 8