ΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ. ιοδικά Laser. Οπτικοί Ενισχυτές ηµιαγωγού

Transcript

1 ΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ιοδικά Laser Θεωρία Αναστροφής Πληθυσµού Εκποµπής ΣύµφωνηςΑκτινοβολίας Χαρακτηριστική P-I Εξισώσεις Ροής Τεχνική Κλειδώµατος Ρυθµού Παραγωγή- Υψήρυθµων Παλµοσειρών Πραγµατοποιήσεις Laser Laser κατανεµηµένης ανάδρασης, DFB Laser Απλής Συχνότητας Συντονιζόµενα Laser Εξωτερικής Κοιλότητας Συντονιζόµενες ίοδοι DBR Οπτικοί Ενισχυτές ηµιαγωγού Συνάρτηση Μεταφοράς Ισχύος Χωρική Μεταβολή Απολαβής Εξισώσεις Ροής Χρονική Απόκριση Ενισχυτών Ηµιαγωγού Στροφή φάσης στον οπτικό ενισχυτή ηµιαγωγού Χαρακτηριστικά Θορύβου στους ενισχυτές ηµιαγωγών 1

2 Ενισχυτές ίνας µε ιόντα προσµίξεων Ερβίου Πρακτικές ιατάξεις Ενισχυτών EDFA Κορεσµός Ενισχυτή Θόρυβος στους Ενισχυτές Ερβίου Ολοκληρωµένοι Οπτικοί ιαµορφωτές Άµεση και Έµµεση Εξωτερική ιαµόρφωσης Ηλεκτρο-Οπτικά Φαινόµενα εύτερης Τάξης Χαρακτηριστικά Λειτουργίας Εξωτερικών ιαµορφωτών Έντασης Οπτικοί Φωρατές Βασική Θεωρία Φώρασης Κβαντικό Όριο και Ρυθµός Σφαλµάτων Φυσικές Ιδιότητες Φωτοφωρατών P-N, P-I-N Φωτοφωρατές Φωτοδίοδοι Χιονοστιβάδας(Avalanche Photodiodes, APD) οµές Φωτοδιόδων APD Θόρυβος και Ρυθµός Σφαλµάτων Υλικά για Φωτοδιόδους 2

3 ιοδικά Laser Θεωρία Αναστροφής Πληθυσµού Εκποµπής ΣύµφωνηςΑκτινοβολίας Χαρακτηριστική P-I Εξισώσεις Ροής Τεχνική Κλειδώµατος Ρυθµού Παραγωγή-Υψήρυθµων Παλµοσειρών Πραγµατοποιήσεις Laser Laser κατανεµηµένης ανάδρασης, DFB Laser Απλής Συχνότητας Συντονιζόµενα Laser Εξωτερικής Κοιλότητας Συντονιζόµενες ίοδοι DBR 3

4 Laser Ηµιαγωγών - Γεωµετρικά Χαρακτηριστικά ιοδικό laser οµοιοδοµής µε ενεργό περιοχή µια απλή pn επαφή σχ. Α ιπλή ετεροδοµή µε επίπεδη ενεργό περιοχή και τµήµα ηλεκτροδίου p, µορφής πτυχής. Η ενεργός περιοχή είναι πλάκα λεπτού πάχους (slab) ή µια ταινία (strip) σχ.β οµή θαµµένης διπλής ετεροδοµής, σχ. C 4

5 ίοδος εκποµπής επιφανείας σχ. D Ενεργό Υλικό-Αντιστροφή Πληθυσµών Οποιαδήποτε µετάπτωση ηλεκτρονίου ανάµεσα σε δύο ενεργειακές καταστάσεις µέσα στο άτοµο προκαλείται µε απελευθέρωση ή απορρόφηση ενός φωτονίου. E=E 2 -E 1 =hf Ενεργειακό διάγραµµα καταστάσεων (a) απορρόφηση φωτονίου 5

6 (b) αυθόρµητη εκποµπή (c) εξαναγκασµένη εκποµπή ακτινοβολίας Η διαδικασία της εξαναγκασµένης εκποµπής συµβάλλει στην ενίσχυση lasing. Για να έχουµε ενίσχυση πρέπει: Α) Το προσπίπτον φωτόνιο έχει ενέργεια ίση µε Ε 2- Ε 1. Β) Το παραγόµενο φωτόνιο έχει την ίδια συχνότητα µε το προσπίπτον Γ) Βρίσκονται εν φάση και έχουν την ίδια πόλωση ) Τελικά έχουµε δύο φωτόνια ίδιας συχνότητας - σύµφωνη ενίσχυση του οπτικού κύµατος. Για την διέγερση ατόµων από την βασική ζώνη, αντιστροφή πληθυσµών, απαιτείται προσφορά ενέργειας από εξωτερική πηγή ρεύµατος, πηγή άντλησης. Οι πυκνότητες σε δύο ενεργειακές καταστάσεις περιγράφεται από την στατιστική του Boltzmann N N 1 2 g = g 1 2 ( ) ( ) g1exp E1 / KT = g exp E / KT 2 2 exp( hf / KT) g1 = exp[( E2 E1) / KT] g 2 K η σταθερά που Boltzmann 6

7 Ν 1,Ν 2 οι πυκνότητες των g 1,g 2 δηλώνουν τον εκφυλισµό των ενεργειακών καταστάσεων. Αυτό που κάνει δυνατή την ύπαρξη ηµιαγώγιµων διόδων είναι η ιδιότητα των ηλεκτρονίων σθένους να απορροφούν ενέργεια και να υπερπηδούν το ενεργειακό κενό. Λειτουργία Laser Η προσθήκη κατόπτρων λειτουργεί ως ανάδραση προσφέροντας τα αναγκαία προσπίπτοντα φωτόνια, ενω το ενεργό υλικό, προσφέρει το κέρδος του αναπληρώνοντας τα διεγερµένα ηλεκτρόνια λόγω της εξαωτερικής πηγής. Σχηµατικά : 7

8 Η οπτική ισχύς αυξάνει µόνο µε την αύξηση της άντλησης Η ισχύς µιας σύµφωνης πρόσθεσης αυξάνει µε το τετράγωνο του αθροίσµατος όλων των ατοµικών συνεισφορών. Το ένα εκ των δύο κατόπτρων που σχηµατίζουν την κοιλότητα είναι εν µέρει διαπεραστικό. Το κέρδος g ανά µονάδα µήκους του ενεργού υλικού ισοσταθµίζει τις εσωτερικές απώλειες α. Τα στάσιµα κύµατα που δηµιουργούνται µέσα στο αντηχείο έχουν διακριτές συχνότητες f qc = 2nL Μέσα στην κοιλότητα η ένταση του πεδίου είναι: k 2 ( ) ( ) π Ln R Eoexo k Γg α L j k λ k: ο αριθµός των ανακλάσεων Γ: Ο παράγοντας σύπτυξης g: Το κέρδος του ενεργού υλικού α: Οι απώλειες του ενεργού υλικού 2πLn/λ : η στροφή φάση απλής διαδροµής n: Ο δείκτης διάθλασης R: Συντελεστής ανάκλασης ισχύος των κατόπτρων Το φανταστικό µέρος καθορίζει: Απόσταση µεταξύ των τρόπων διάδοσης και την ακριβή θέση κάτω από την περιβάλλουσα του φάσµατος εξόδου 8

9 Το πραγµατικό µέρος καθορίζει: Την καθαρή απολαβή, την ισχύ εξόδου συναρτήσει του ρεύµατος άντλησης, που δίνει την χαρακτηριστική καµπύλη P-I laser. Η διάταξη «ανάβει» µετά από παλλαπλές διελέυσεις Όταν α) όταν το καθαρό κέρδος ξεπεράσει τις απώλειες της κοιλότητας, σηµείο διαφάνειας, δηλαδή [ ( Γ α) ] Rexp 2 g L 1 ln R Γg α 2L β) όταν όλες οι φάσεις είναι προσαρ- µοσµένες, δηλαδή: λ= 2nL i Προσοχή Καθώς αυξάνει η άντληση, µειώνεται ο δείκτης διάθλασης n στο εσωτερικό της κοιλότητας. Αυτό µειώνει την απόσταση σε µήκος κύµατος µεταξύ των συντονισµών της κοιλότητας. 9

10 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΤΟ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΑΛΛΑΖΕΙ Συµπαγείς ίοδοι Laser Bulk Laser Οι πιο απλές διατλαξεις διόδων laser, µε γεωµετρική δοµή οµοιοδοµής. Το ενεργό υλικό είναι ένας ηµιαγωγός 10

11 Συοµαγής Laser - οµοιοδοµής (A) Κατάσταση ανοικτού-κυκλώµατος. (Β) Οι ενεργειακές ζώνες κατά µήκος οµοιοεπαφής, σε ανοικτό-κύκλωµα. (C) Με ορθή πόλωση. 11

12 (D) Οι ενεργειακές ζώνες -και η στάθµη Fermi- κατά µήκος της ορθής πόλωσης. Οι ηµιαγωγοί που χρησιµοποιούνται είναι Ηµιαγωγοί προσµίξεων τύπου n ή τύπου p ανάλογα µε το σθένος του υλικού πρόσµιξης. Είτε µια επαφή p-n από δύο ηµιαγωγούς τύπου p και n σε ένα µόνο κρύσταλλο. Περιοχή Απογύµνωσης Επανένωση φορέων Ηλεκτρονίω και οπών Απαγόρευση περαιτέρω µετακίνησης φορέων Ανάπτυξη φράγµατος δυναµικού- Αναφορικά µε τα άκρα της επαφής Εφαρµογή εξωτερικού πεδίου Οι φορείς κάτω από την επίδραση του πεδίου, επανενώνονται αθρόα 12

13 Xαµηλή τιµή εξωτερικού πεδίου έχουµε λειτουργία LED Λειτουργία LED Αύξηση του εξωτερικού πεδίου Όλοι οι αποδιεγείρονται εξαναγκασµένα, σε συµφωνία Λειτουργία lasing Το ύψος του φράγµατος δυναµικού ονοµάζεται δυναµικό επαφής. Οι αθρόες επανασυνδέσεις παράγουν φωτόνια συχνότητας f=e g /h. Ε g είναι το ενεργειακό διάκενο, Ε αγωγιµότητας -Ε σθένους Οι ηµιαγωγοί που χρησιµοποιούνται σήµερα είναι διµερή κράµατα p-n τύπου ΙΙΙ-V Το πιο διαδεδοµένο κράµα είναι το Ιn 1-x Ga x As y P 1-y 13

14 Ανάλογα µε το ποσοστό γραµµοµορίων x,y καθορίζεται : Το µήκος κύµατος λειτουργίας Η ύπαρξη άµεσου ή έµµεσου ενεργειακού διακένου Ουσιαστικά καθορίζονται οι δοµή και οι ιδιότητες του κρυσταλλικού πλέγµατος Όταν δηλαδή οι ενεργειακές ζώνες σθένους και αγωγιµότητας ευθυγραµµίζονται για την ίδια τιµή ορµής Παλαιότερα το πιο διάσηµο υλικό διόδων ήταν laser GaAs γιατί είχε άµεσο ενεργειακό διάκενο. Το µήκος κύµατος του ηµιαγωγού αυτού ήταν 0.8nm πάνω στο οποίο αναπτύχθηκε η πρώτη γενια οπτικών δικτύων. Στα υλικά µε έµµεσο ενεργειακό διάκενο απαιτείται η συνύπαρξη ενός φωνονίου, για την διατήρηση της ορµής και την επανένωση των φορέων. Τα laser διπλής ετεροδοµής (double heterostructure) αποτελούνται από δύο κρυστάλλους (αντί για ένας στην οµοιοδοµή) µε διαφορετικά ενεργειακά διάκενα µεταξύ τους. 14

15 Επίσης η γεωµετρική δοµή laser ταινίας πετυχαίνει σύµπτυξη των τρόπων ταλάντωσης µέσα στη κοιλότητα και στο διαµήκη άξονα. Λειτουργικά χαρακτηριστικά Το κέρδος g είναι µια συνάρτηση της πυκνότητας ων φορέων. g(n) = α(n N o ) Σηµείο διαφάνειας ονοµάζεται το σηµείο όπου, η ενεργός περιοχή µεταπίπτει από την κατάσταση αδιαφάνειας σε φως στην εκποµπής ασύµφωνης ακτινοβολίας (αυθόρµητη εκποµπή φωτονίων). Ν ο είναι η πυκνότητα των φορέων στο σηµείο α είναι η διαφορική απολαβή και έχει διαστάσεις cm 2. Αύξηση της τιµής του ρεύµατος προκαλεί καθήλωση της πυκνότητα των φορέων σε συγκεκριµένη τιµή. Αύξηση του ρεύµατος άντλησης πάνω από την τιµή του κατώφλιου Τα ηλεκτρόνια άντλησης είτε θα γίνουν ωφέλιµα φωτόνια είτε θα χαθούν. 15

16 Η καµπύλη P-I πάνω από το ρεύµα κατωφλίου είναι γραµµική Πολύ στενό φάσµα εξόδου µε όλα τα χαρακτηριστικά του σύµφωνου φωτός Ρεύµα κατωφλίου: I th = qdwln d,w,l : Είναι οι διαστάσεις της ενεργού περιοχής, q : Το φορτίου του ηλεκτρονίου τ e : Ο χρόνος ζωής των φορέων µέχρι την επανασύνδεση. Σε περίπτωση που υπάρχουν µετασταθείς ζώνες ο χρόνος ζωη ς πρέπει να είανι πολύ µικρότερος στις ζώνες αυτές. Κλίση της καµπύλης P-I: τ e th dp di = hf 2q n n d i n d : είναι η εξωτερική κβαντική απόδοση όλης της διάταξης Εκφράζει το ποσοστό των επιπλέον εκχεόµενων ηλεκτρονίων που µετατρέπονται σε ωφέλιµα φωτόνια εξόδου. n i : είναι η εσωτερική κβαντική απόδοση, το ποσοστό των εκχεοµένων ηλεκτρονίων που παράγουν εξαναγκασµένα φωτόνια από τα οποία δεν θα φτάσουν όλα στην έξοδο της διάταξης. 16

17 Σύδεση των δύο µεγεθών µε τις εσωτερικές απώλειες α της ενεργού περιοχής µε την ανακλαστικότητα των κατόπτρων n d = n = n i i ρυθµος διαφυγης ρυθµος παραγϖγης γης ln( 1 R) ( R) + 2αL ln 1 φϖτονι τονιϖν φϖτονι τονιϖν Εξισώση Ροής Τα φαινόµενα στα διοδικά Laser περιγράφονται από ένα ζευγάρι συζευγµένων εξισώσεων ροής από τις οποίες η µια περιγράφει το ρυθµό µεταβολής της πυκνότητας των φορέων και η άλλη της πυκνότητας των φωτονίων. Η εξίσωση µεταβολής της πυκνότητας των φορέων είναι: N& (t) = I(t) qlwd N(t) τ e Γαc n [ N(t) N ] Π(t) o 17

18 Π : Ι : n : α : είναι χωρική πυκνότητα των φωτονίων στη κοιλότητα. το ρεύµα άντλησης. ο ισοδύναµος δείκτης διάθλασης µέσα στην κοιλότητα. η σταθερά απολαβής που παριστάνει το ρυθµό µε τον οποίο αυξάνει η απολαβή ανά µονάδα µήκους µε την πυκνότητα των φορέων w,d,l : είναι οι διαστάσεις της κοιλότητας. Ακόµα Γ είναι ο παράγοντας σύµπτυξης των εγκάρσιων οπτικών τρόπων και Ν ο η πυκνότητα των φορέων στο σηµείο διαφάνειας. N& (t) = I(t) qlwd N(t) τ e Γαc n [ N(t) N ] Π(t) o Ρυθµός Μεταβολής φορέων το ρυθµό µείωσης των φορέων λόγω αυθόρµητης εκποµπής ασύµφωνης ακτινοβολίας εκφράζει τον αριθµό των φορέων που παράγονται ανά µονάδα όγκου από την έκχυση ρεύµατος Συζευγµένη εξίσωση ισχύος: όρος την εξάντληση των φορέων λόγω επανασυνδέσεων για την ακτινοβολία εξαναγκασµένου φωτός. Π & (t) = Γαc n [ N(t) N ] Π(t) o Π(t) + τ e R sp Lwd 18

19 R sp : είναι ο ρυθµός, ανά µονάδα όγκου, µε τον οποίο τα φωτόνια που εκπέµπονται αυθόρµητα προστίθεται στην κοιλότητα της ενεργού περιοχής. Ισχύς εξόδου συναρτήσει της χωρικής πυκνότητας φωτονίων : P(t) = hfc n (1 R) w d Π(t) Ο παραπάνω τύπος µας λέει ότι ΠLwd φωτόνια, το καθένα µε ενέργεια hf διαφεύγουν δια µέσου της επιφάνειας του κατόπτρου (1- R) σε χρόνο Ln/c. Κάτοπτρο 100% Κάτοπτρο 99% ΠLwd φωτόνια L Τρόποι ιάδοσης Laser Μέσα στην κοιλότητα του Laser ταλαντώνονται πολύ τρόποι : f = qc 2nL 19

20 Κάθε εγκάρσιος τρόπος βλέπει και διαφορετική εξασθένιση. Η καµπύλη κέρδους της ενεργού περιοχής καθορίζει ποιοι τρόποι συντηρούνται και στην έξοδο. Οι ρυθµοί τάξης q απέχουν : δ f = c 2nL ή σε µήκη κύµατος: δλ = 2 λ 2nL Οι ρυθµοί είναι και εγκάρσιοι και διαµήκεις. Μονορυθµική λειτουργία µπορεί να επιτευχθεί εφόσον ένας µόνο εγκάρσιος και ένας µόνο διαµήκης ρυθµός διαδίδονται. Οι εγκάρσιοι αποκόβονται µε την παρεµβολή κάποιου διαφράγµατος µέσα στο οπτικό αντηχείο, η διάµετρος του οποίου αντιστοιχεί στη διάµετρο των αξονικών ρυθµών. 20

21 Οι διαµήκεις ρυθµοί περιορίζονται µειώνοντας το µήκος L της κοιλότητας δηλαδή µειώνεται µέχρις ότου η απόσταση µεταξύ των τρόπων δf=c/2l γίνει µεγαλύτερη από το εύρος της καµπύλης απολαβής. εισάγοντας ένα πλακίδιο µέσα στο οπτικό αντηχείο οπότε οι ρυθµοί που τελικά επικρατούν είναι αυτοί που πληρούν τις συνθήκες συντονισµού στο βασικό αντηχείο του Laser αλλά και στο αντηχείο του πλακιδίου. Παρακάτω φαίνοται δύο ρεαλστικά φάσµατα εξόδου διοδικών laser : 21

22 Οι διακριτοί ρυθµοί έχουν πεπερασµένο εύρος γραµµής. Στην έξοδο υφίσταται διάχυση φάσης που οδηγεί σε µη µηδενικό εύρος γραµµής που ως τώρα θεωρήσαµε αµελητέο. Η αύξηση του ρεύµατος άντλησης καταστέλλει τους πλευρικούς τρόπους. (LED Lasing) Η οπτική ισχύς είναι κατανεµηµένη στους τρόπους ταλάντωσης του αντηχείου τελικώς συζευγνύεται στο βασικό τρόπο. Η συµπεριφορά αυτή ονοµάζεται ταλάντωση αποκατάστασης και αντίστοιχα χρόνος αποκατάστασης Το Mode Suppression Ratio, MSR καθορίζει ποσοτικά το µέγεθος καταστολής των πλευρικών τρόπων MSR = Ισχύς στο βασικό τρόπο Ισχύς στο ισχυρότερο πλευρικό τρόπο = 2 Π o δλ 1 + τpr sp λ 22

23 P o,p ±1 : είναι ο βασικός και οι δύο πλησιέστεροι του βασικού τρόποι ταλάντωσεις Το εύρος γραµµής παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία φώρασης και στα δίκτυα πυκνής διαίρεσης συχνότητας (DWDM) γιατί εισάγει παρεµβολές µεταξύ των καναλιών λόγω διασποράς και θορύβου διαµοιρασµού τρόπων διάδοσης (modal noise). Η τυχαιότητα της φάσης εξόδου προκαλείται από την έµµεση επίδραση λόγω της µεταβολής του δείκτη διάθλασης που προκαλεί από κάθε µεταβολή της πυκνότητας των φορέων και που ισοδυναµεί µε αντίστοιχη µεταβολή του κέρδους. Οι µεταβολές του δείκτη διάθλασης είναι άµεσα συνδεδεµένες µε την αυθόρµητης εκποµπής ασύµφωνης ακτινοβολίας και την ύπαρξη πλευρικών τρόπων διάδοσης. Ο επιπρόσθετος αυτός θόρυβος βρίσκεται όλος στη φάση, οπότε το εύρος γραµµής f πολλαπλασιάζεται µε (1+β 2 ), όπου β είναι ο παράγοντας διεύρυνσης γραµµής (linewidth enhancement factor) και δίνεται από τον τύπο: β = d d ( Re index) / dn dn dn = ( Im index) / dn dg dn n : είναι το πραγµατικό µέρος του δείκτη διάθλασης και dg/dn είναι η διαφορική απολαβή. 23

24 Εύρος γραµµής f συναρτήσει της εκπεµπόµενης οπτικής ισχύς είναι: f = u g hf n 8πP sp o gα m 2 ( α + α ) ( 1 + β ) i m n sp : είναι ο παράγοντας αυθόρµητης εκποµπής και εκφράζει το λόγο των ενεργειακών µεταπτώσεων που οδηγούν σε αυθόρµητη εκποµπή ακτινοβολίας προς το σύνολο των αυθόρµητων και εξαναγκασµένων εκποµπών,: n sp = N N upper upper N lower n sp 1 α i : είναι οι εσωτερικές απώλειες ανά µονάδα µήκους της ενεργού περιοχής α m : είναι µια πλασµατική ισοδύναµη απώλεια ανά µονάδα µήκους λόγω της διαφυγής ωφέλιµου φωτός διαµέσου ενός εκ των δύο κατόπτρων της κοιλότητας 24

25 Τεχνική Κλειδώµατος Ρυθµού-Modelocking Η τεχνική κλειδώµατος ρυθµού χρησιµοποιείται για την παραγωγή παλµών µε πολύ µικρή διάρκεια Eξαναγκάζει τους διαµήκεις ρυθµούς να διατηρούν ορισµένη σχέση φάσης µεταξύ τους. Τότε η έξοδος του Laser γίνεται επαναλήψιµη και έχει κλειδωθεί σε ένα ρυθµό (mode locked). Modelocking Ενεργό Modeloking Προσθήκη ενός ηλεκτροοπτικού ή ακουστικοοπτικού διαµορφωτή Παθητικό Modelocking Συγχρονισµένης άντλησης ΑΜ Modelocking H ισχύ που κυκλοφορεί µέσα στη κοιλότητα χωρίζεται σε µικρά χρονικά πακέτα, και ο µηχανισµός που αυξοµειώνει τις απώλειες µε περίοδο ίση µε το χρόνο ανακύκλωσης (round trip time) της κοιλότητας τότε αυτός σκοτώνει επιλεκτικά κάποια πακέτα τα οποία όµως µπορούν να επανέλθουν αν συναντηθούν µε άλλα που συντηρήθηκαν. 25

26 Oµογενούς διεύρυνσης φάσµατος Αλληλεπίδραση ατόµων, µε αποτέλεσµα λιγότερους διαµήκεις ρυθµοί Εξάπλωση του φάσµατος Μη οµογενής διεύρυνσης φάσµατος Αποδιέγερση ατόµων µε αποτέλεσµα την αύξηση των διαµήκων ρυθµών. Βασικός σκοπός είναι ο συντονισµός των φάσεων Το παθητικό modelocking προστίθεται ένας κορεζόµενος απορροφητής σε κάποιο σηµείο της κοιλότητας. Ένας τέτοιος απορροφητής παρουσιάζει αυξηµένες απώλειες για χαµηλές ισχύεις, ενώ όταν η ισχύς ξεπεράσει κάποιο κατώφλι οι απώλειες περιορίζονται δραστικά. Λόγω του απορροφητή το laser δεν µπορεί να κάνει άµεσα έναυση. Η έναυση ξεκινάει τις αιχµές θοεύβου που ξεπερνούν το κατώφλι Η µέθοδος αυτή του passive modelocking έχει αποδώσει µέχρι σήµερα τους στενότερους παλµούς γεγονός που οφείλεται στο ότι ο ίδιος ο παλµός ελέγχει την µεταβολή των απωλειών. 26

27 Laser Απλής Συχνότητας Τα laser στηρίζονταν στην παθητική συντονιζόµενη δοµή µιας κοιλότητας Fabry-Perot. Στις διόδους απλή συχνότητας τροποποιείται η βασική αυτή δοµή σε διάφορους τύπους µε σκοπό την καταστολή όλων των πλευρικών τρόπων σε πολύ µεγαλύτερο ποσοστό. Βασικές τροποποίησεις Σύζευξη της ενεργού περιοχή µε συντονιζόµενη δοµή η οποία βρίσκεται έξω από αυτήν ή µε µια δοµή που να βρίσκεται µέσα σε αυτήν. 1) Lser εξωτερικής κοιλότητας 2) Laser DBR (Κατανεµηµένου Ανακλαστήρα-Distributed Bragg Reflector). 3) DFB Laser (Κατανεµηµένης Ανατροφοδότησης-Distributed feedback) ιοδικό laser κατανεµηµένης ανάδρασης (Α) δοµή 27

28 και (Β) καµπύλη κέρδους Ένας µόνο τρόπος κυµατοδηγείται κοντά στο µήκος κύµατος, που προκύπτει από την συνθήκη του Bragg για το φράγµα µεταγωγής. Τα πιο κοντινά µήκη είναι δύο εκατέρωθεν του λ 0 H ανάδραση της οπτικής ενέργειας να προκύπτει από την ανάκλαση στο φράγµα. To βήµα επανάληψης Λ καθορίζει το µήκος κύµατος εκποµπής του διαµήκη ρυθµού. Εάν Λ=lλ Β /2n e, l :η τάξη του φράγµατος, λ Β :το µήκος κύµατος Bragg και n e :ο δείκτης διάθλασης του κυµατοδηγού Τότε µόνο ο ρυθµός κοντά στο µήκος κύµατος λ Β ανακλάται ενισχυτικά, οπότε και ταλαντώνεται στην κοιλότητα, ενώ οι υπόλοιποι υφίστανται µεγαλύτερες απώλειες και καταπιέζονται. 28

29 Φράγµα σε επίπεδο κυµατοδηγό: Η ικανότητα περίθλασης ενός φράγµατος εξαρτάται από τη διαφορά των δεικτών διάθλασης και από το λιθογραφικό φυσικό βάθος των αυλακώσεων. Κατά την ανάκλαση (περίθλαση) δύο αντίθετα διαδιδόµενα κύµατα υφίστανται, που ενισχύονται επειδή η περιοχή του φράγµατος καλύπτει ουσιαστικά το συνολικό µήκος της ενεργού περιοχής. Οι εντάσεις των πεδίων 29

30 Τρίγωνο ορµών για τα δύο αντίθετα διαδιδόµενα πεδία Laser κατανεµηµένου ανακλαστήρα DBR Το φράγµα δεν καλύπτει την ενεργό περιοχή, η απολαβή δηλαδή είναι έξω από το φράγµα περίθλασης. 30

31 Η συνάρτηση µεταφοράς κατά συχνότητα T(f ) = sin 2 πfτ ( πfτ) 2 Η διαφορά στη φυσική των δύο laser είναι ότι τα laser κατανεµηµένης ανάδρασης χρησιµοποιεί το φράγµα σαν ένα συντονιζόµενο φίλτρο ενώ τα κατανεµηµένου ανακλαστήρα σαν απλό κάτοπτρο. Βασική τροποποίηση DFB Laser Στο κέντρο του φράγµατος πρέπει να φτάνουν και τα δύο εν φάση Επειδή λοιπόν το κέντρο απέχει 45 ο από κάθε κάτοπτρο (σε µια κοιλότητα Fabry-Perot απέχει 90 ο ) δεν φτάνουν εν φάση και πρέπει να προστεθεί µια επιπλέον καθυστέρηση 45 ο 2 για κάθε διαδροµή δεξιά και αριστερά. Συµβατικού φράγµα 31

32 και συντονισµένο φράγµα µετατόπισης φάσης κατά λ/4. Παρατήρησεις: Ένα DFB laser χωρίς µετατόπιση φάσης δεν συντονίζεται στη µέγιστη τιµή της σχέσης Λ=λ/2n αλλά εµφανίζει σποραδικά άλµατα στην συχνότητα λειτουργίας µεταξύ των δύο πλευρικών, στην µέγιστη, συχνοτήτων. Αυτό µπορεί να συµβεί είτε όταν µόνο του το φράγµα σχηµατίζει τα δύο κάτοπτρα (περίπτωση χαµηλής ανακλαστικότητας στα άκρα), είτε όταν το φράγµα ενεργεί σαν φίλτρο των τρόπων της κοιλότητας Fabry-Perot µε ανακλαστικότητες (περίπτωση υψηλής ανακλαστικότητας στα άκρα). 32

33 Συντονισµένα Laser Εξωτερικής Κοιλότητας Βασική δοµή διόδου laser εξωτερικής κοιλότητας που χρησιµοποιεί περιστρεφόµενο φράγµα Ένα τρόπος για να µειωθεί το εύρος γραµµής είναι να µεγαλώσουµε την κοιλότητα. Μεγαλώνοντας την κοιλότητα η ισοδύναµη απώλεια του κατόπτρου ανά µονάδα µήκους α m µειώνεται καθώς συνδέεται µε το µήκος της κοιλότητας σύµφωνα µε τη σχέση: α m = 1 2L ln 1 R 33

34 R : είναι η ανακλαστικότητα του κατόπτρου. Η µείωση του παράγοντα α m προκαλεί αντίστοιχη µείωση του εύρους γραµµής f, άρα και του θορύβου στην φάση. Υλοποιήσεις Laser εξωτερικής κοιλότητας: Με αντιανακλαστική επίστρωση τη µια ακραία όψη µιας διόδου, έτσι ώστε να είναι διαπερατή και τοποθετώντας στην προέκταση το συντονιζόµενο φίλτρο. Χρησιµοποίηση φράγµατος περίθλασης: Χαρακτηριστικά Λειτουργίας α) για την διασπορά του φάσµατος σε διαφορετικές γωνίες (πρώτης, δεύτερης τάξης ) β) για επιλογή µήκους κύµατος λειτουργίας, αφού το µεγάλο αντηχείο που σχηµατίζεται δηµιουργεί διαµήκεις τρόπους διάδοσης µε µικρή απόσταση συχνότητας. -Εύρος γραµµής µέχρι και 10Khz. -Μεγάλο εύρος ζώνης συντονισµού, στο παράθυρο των 200nm στην περιοχή ελάχιστης εξασθένισης στα 1.5µm. -Ππαρουσιάζουν όµως βραδεία απόκριση λόγω της µετακίνησης της µάζας και των πολλών περιφορών µέσα στην κοιλότητα µέχρι η ενεργός περιοχή να δει τις νέες ρυθµίσεις. 34

35 Συντονιζόµενες ίοδοι DBR δύο τµηµάτων Στις διατάξεις αυτές το δείκτη διάθλασης του κατόπτρου το καθορίζει διαφορετική πηγή ρεύµατος. Χαρακτηριστικά συντονισµού : Φαίνεται το άλµα στο διαµήκη τρόπο διάδοσης α) Το ρεύµα άντλησης της ενεργού περιοχής I a χρησιµεύει για τον έλεγχο της ακτινοβολούµενης ισχύ. β) Το ρεύµα Ι b ελέγχει το µήκος κύµατος λειτουργίας. 35

36 Το πρόβληµα τα DFB και DBR laser είναι η µετατόπιση του µήκους κύµατος λειτουργία µε την αύξηση του ρεύµατος άντλησης. Σε µια δίοδο DBR, δύο τµηµάτων, η επιλογή του µήκους κύµατος γίνεται µε την εφαρµογή µεγάλου ρεύµατος στην ενεργό περιοχή και µικρού στο φράγµα Bragg. Όταν η περιοχή αυτή αντλείται και οι πυκνότητες των φορέων αντιστοιχούν στο κατώφλι της έναυσης, τότε το φράγµα λειτουργεί σαν κάτοπτρο. Επιπλέον οι φορείς δεν συνεισφέρουν σηµαντικά στην παραγωγή φωτονίων λόγω της χαµηλής άντλησης. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσµα την µεγάλη µεταβολή του δείκτη διάθλασης του φράγµατος που ρυθµίζει το µήκος κύµατος. Σήµερα: Η περιοχή συνεχούς συντονισµού που έχει επιτευχθεί µε µια τέτοια δοµή είναι 3.3 nm µε ισχύς εξόδου 1mW, ενώ µε οπτική ισχύ εξόδου 5 mw το εύρος συνεχούς συντονισµού µειώνεται σε 2 nm. 36

37 Συντονιζόµενες ίοδοι DBR τριών τµηµάτων Εισάγεται ένας µετατοπιστής φάσεως λ/4, στον οποίο τα δύο εξωτερικά ηλεκτρόδια για την έκχυση του ρεύµατος είναι ενωµένα πάνω στην ίδια πηγή: Περιοχή συνεχούς συντονισµού: Μεταβάλλοντας το ρεύµα στην περιοχή της µετατόπισης φάσης µπορεί κανείς να µεταβάλλει τη φάση του κύµατος που προσπίπτει στο τµήµα του κατόπτρου 37

38 Για να καλύψει το κενό που στην αντίθετη περίπτωση υπάρχει στην διάταξη των δύο τµηµάτων όταν δεν υπάρχει τρόπος ταλάντωσης της κοιλότητας µε τον οποίο να συντονίζεται η συνάρτηση στενής ζώνης του κατόπτρου Bragg Λ=λ/2n. Το τµήµα της µετατόπισης φάσης παρέχει τη συνάρτηση αυτή και το µόνο που χρειάζεται να γίνει είναι η µεταβολή του ισοδύναµου µήκους το πολύ κατά λ/2 για να καλυφθεί οποιαδήποτε κενό. Ο τρόπος που τελικά ταλαντώνεται είναι ο κοντινότερος στην τιµή που επιτρέπει το φράγµα (µήκος κύµατος Bragg) και οποιαδήποτε παρέκκλιση από την τιµή αυτή διορθώνεται µε τη προσαρµογή φάσης, δηλαδή διαµέσου του ρεύµατος άντλησης της περιοχής αυτής. Σήµερα: Τα εύροι συνεχούς συντονισµού που έχουν επιτευχθεί µε τέτοιες δοµές Laser φτάνουν τα 9 nm. Αν το ρεύµα του προσαρµοστή φάσης Ι p και το ρεύµα του φράγµατος Ι b κρατηθούν σε συγκεκριµένη σχέση αναλογίας µέσω των αντιστάσεων τότε ο συνεχής συντονισµός έχει ένα πραγµατικό εύρος 3 nm. 38