POLOVODIČOVÉ LASERY- 2

Transcript

1 POLOVODIČOVÉ LASERY-. 3 Vlastnosti emitovaného žiarenia polovodičových laserov Laserová dióda emituje eliptický profil zväzku s rôznym uhlom divergencie pre rovinu rovnobežnú s p-n priechodom Θ 10 a kolmú na p-n priechod Θ 30 (far field pattern). Divergencia v príslušnom smere závisí od hrúbky d (μm) aktívnej vrstvy resp. šírky pásika, vlnovej dĺžky emitovaného žiarenia a rozdielu Δn indexu lomu aktívnej a ohraničujúcej vrstvy (viď obr.). TEM 00 TEM 10 Obraz blízkeho poľa (near field pattern) na hrane laserovej diódy zodpovedá Gaussovskému rozloženiu intenzity elektrického poľa. Pri menších šírkach pásika v laterálnom smere ( 1-5 μm) sa vybudí len základný tranzverzálny mód (transverse mode) TEM 00 t.j je pozorovateľná len jedna stopa zväzku na hrane čípu. Pri väčších šírkach emitujúceho pásika je možné pozorovať vybudenie vyšších módov TEM 10 (viď obr). Pre dosiahnutie kolimovaného zväzku je potrebné použiť kolimačnú optiku. V pozdĺžnom smere emituje laserová dióda charakteristické spektrum pozdĺžnych módov (longitudal mode) daných rezonanciou Fabry-Perotovho (F-P) rezonátora. Tieto sú merateľne pomocou monochromátora s vysokým spektrálnym rozlíšením. Charakteristické spektrum laserovej diódy vykazuje mnohomódové spektrum v blízkosti prahového prúdu

2 ktoré následkom preferenčného zosilnenia v jednom móde nad prahom vykazuje u kvalitných laserových diód ( indexom vymedzených) jednomódový charakter emisného spektra. Značnou mierou k vzniku pozdĺžnych módou prispieva faktor spontánnej emisie β. Tento určuje časť spontánnej emisie spadajúceho do módou rezonátora s centrálnou vlnovou dĺžkou λ sp a pološírkou spektra Δλ c β K 3 a λ sp kde 4 πn Δλ dwl c kt sp λ Δ λc ( c 30 70nm hc Δλ ) faktor spontánnej emisie je nepriamo úmerný objemu aktívnej látky (d x w x L) a pološírke spektra spontánnej emisie. K a je faktor astigmatizmu. Pre indexom vedené lasery K a 1 a pre ziskom vymedzené lasery K a 1 ( 10). Koeficient spontánnej emisie takto nadobúda hodnoty β 10-4 pre ziskom vymedzené a β 10-5 pre indexom vymedzené lasery (viď obr). Módové spektrum F-P rezonátora sa môže posúvať následkom vysokého injektovaného prúdu alebo zmenou teploty. Toto spôsobí preskoky a posun emisných módov (obr).4 Modulačné charakteristiky polovodičových laserov Polovodičové lasery môžu byť priamo budené prúdom až do pásma GHz. Amplitúdovú moduláciu delíme na malosignálovu (analógovú) keď prúdová hustota J t J + J exp jωt vyvolá zmenu počtu fotónov ( t) N + N exp jωt. Typická () ( ) 0 Δ N ( ) 0 Δ

3 prenosová charakteristika vykazuje rezonančnú frekvenciu, ktorá sa posúva k vyšším frekvenciám so zvyšujúcim sa prúdom (viď obr) Rezonančná frekvencia a maximálna frekvencia je daná : f r 1 Γntτa c + 1 n J 1 τ sτ J th π, f max 4π f γ r π 1 kde γ + an c je konštanta útlmu za predpokladu že RC konštanta náhradného τ n s obvodu je nad rezonančnou frekvenciou. Veľkosignálová modulácia predstavuje impulznú moduláciu po pripojení impulzu z hodnoty J 0 na hodnotu J J th v čase t 0. Táto zmena (viď obr) vyvolá zmenu hustoty injektovaných elektrónov a fotónov v čase a tým relaxačné zákmity intenzity emisie na začiatku impulzu, ktoré sú oneskorené voči budiacemu impulzu o čas τ d. Toto oneskorenie je spôsobené časom vytvorenia inverznej populácie injekciou nosičova je dané J τ d τ s ln J J th

4 Laserová emisia sa dosiahne až po prekročení prahovej koncentrácie pričom následkom vzniku stimulovanej emisie (prvé maximum) dôjde k následnému poklesu koncentrácie nosičov a tým aj počtu vyžiarených fotónov a časove tlmeným osciláciam až po dosiahnutie ustáleného stavu. Meraním oneskorenia t d sa dá určiť doba spontánnej emisie τ s a následne prahová koncentrácia nosičov n th. ( n J τ s th th ) qd Skrátenie oneskorenia sa dá dosiahnuť podsvietením konštantným prúdom J 0 tesne pod prahovým prúdom t d J J τ s ln J J Vysoká modulačná frekvencia a relaxačné oscilácie spôsobujú tiež zmeny v emisnom spektre pozdĺžnych módov lasera a dajú sa obmedziť v špeciálnych štruktúrach s vysokým ziskom a malým objemom aktívnej oblasti. Pre moduláciu sú nevhodné lasery vykazujúce preskoky v L-I charakteristike (kink) spôsobené preskokom módov následkom silnej injekcie alebo defektami v štruktúre. Lasery pri veľkom optickom výkone môžu vykazovať saturáciu L-I charakteristiky následkom nedostatočného chladenia čípu.(obr) 0 th.5 Šum polovodičových laserov (RIN relative intensity noise) a pološírka emisného spektra V emitovanom výkone polovodičových laserov rozlišujeme nasledovné zložky šumu: 1/ kvantový šum, b/ prídavný šum daný roztekaním prúdu, c/ šum daný preskokom módov, d/ šum následkom odrazu žiarenia pri naviazaní. Kvantový šum vzniká najmä

5 v dôsledku zložky spontánnej emisie. Spontánna emisia spôsobuje amplitúdové, fázové a frekvenčné zmeny v emisnom spektre a určuje jeho spektrálnu pološírku. ( 1+ α ) β ( 1+ α ) β H H δf FP δ f las kde πτ J 1 J 1 jth J th 1 δf FP je pasívna pološírka πτ rezonátora a τ je doba života fotónu ( 1-ky ps). α H je Henry faktor závislý na zmene indexu lomu a hustoty injektovaných nosičov. Γωτ ( n nt ) n α H n n Pre nízke frekvencie a šírku prenášaného pásma Δf je relatívny intenzitný šum (RIN ) daný: RIN 4βΔfτ J J th 1 V mnohomódových laseroch najmä ziskom vymedzených vzniká modulácia intenzity žiarenia následkom rôzneho časového rozdelenia intenzity v jednotlivých módoch a ich vzájomnej interakcie a vytvárajú prídavný šum daný roztekaním prúdu. Šum následkom preskoku módov vzniká v čase preskoku módov následkom teplotných zmien alebo silnej injekcie (kink). Pri naviazaní PV laserov na optické vlákno pracujúcich v jednomódovom režime dochádza následkom odrazu žiarenia od hrany vlákna k interakcii s rezonátorom lasera, ktorý spôsobí fluktuáciu fázy na zrkadle lasera a tým silný prídavný šum z naviazania. Tento sa dá obmedziť vložením optického izolátora medzi laser a optické vlákno..6. Životnosť a spoľahlivosť laserových diód Životnosť laserov sa určuje dvomi spôsobmi: 1/ Udržiavaním konštantného optického výkonu zmenou prúdu. Životnosť je potom definovaná ako bod v ktorom prvok nie je schopný emitovať daný optický výkon pri maximálnom dovolenom kontinuálnom prúde (CW) / Udržiavaním konštantného prúdu a meraním optického výkonu. Životnosť je potom definovaná v bode kde optický výkon poklesne o 3dB. Rozlišujeme tri mechanizmy degradácie: a/ vnútorná degradácia PV laseru- je spôsobená migráciou alebo vytváraním kryštalických defektov v aktívnej oblasti ktoré znižujú kvantovú účinnosť a zvyšujú optické absorpčné straty v rezonátore. Optický výkon klesá s časom exponenciálne a je daný časovou konštantou τ int vnútornej degradácie P P 0 exp t. τ int

6 Životnosť PV laserov t ž je závislá na pracovnej prúdovej hustote t ž J -n kde 1.5 n b/ degradácia zrkadiel môže byť katastrofická na základe vysokej hustoty optického výkonu pri prekročení maximálneho dovoleného výkonu (prekročení maximálneho dovoleného prúdu). Pri ploche aktívnej vrstvy v blízkom poli dosahuje MW/cm (10mW/0,1x10μm 1MW/cm ). Postupná degradácia zrkadiel môže vzniknúť oxidáciou povrchu čípu zrkadla. Degradácia zrkadiel znížením odrazivosti zvyšuje prahový prúd a znižuje kvantovú účinnosť c/ degradácia ohmických kontaktov narastaním tepelného odporu medzi chladičom a čípom je sprevádzané zvýšením pracovnej teploty laserovej diódy čo môže spôsobiť zvýšenie prechodového odporu kontaktov a následné zvýšenie teploty. Pre daný pacovný prúd zvýšenie teploty je sprevádzané poklesom optického výkonu a skrátenia životnosti.7 Základné zapojenia napájacích zdrojov pre laserové diódy Napájací obvod laserovej diódy vyžaduje realizáciu nastaviteľného zdroja konštantného prúdu a obvodov pre stabilizáciu výstupného optického výkonu pomocou monitorovacej fotodiódy pre kontinuálny režim práce. (obr napr. pointer)

7 Modulácia laserovej diódy sa vytvára prídavným obvodom ohraničenia a modulácie. Mod. signal U + Sig I L

8 Vysielač pre optický komunikačný systém vyžaduje obvody stabilizácie teploty, stabilizácie výkonu, riadiaci obvod modulácie a obvod ohraničenia modulácie (obr) Stab. teploty Opt. vlákno LD Peltierov článok PIN PD Mod.signál Obvod riad. modulácie Zdroj konštantného prúdu Obvod ohraničenia modulácie Zdroj.7 Zásady pri zapojovaní polovodičových laserov Polovodičové (PV) lasery sú prvky citlivé na elektrostatický náboj, prúdové špičky a prechodové javy. Preto pre zapojovanie polovodičových laserov je nutné dodržiavať základné zásady, ktoré možno rozdeliť do štyroch skupín: - 1/ Pre napájanie PV laserov využívame riadené prúdové zdroje, ktoré umožňujú presné nastavenie hodnoty prúdu. Nepoužívame napäťový zdroj bez prúdového obmedzenia pretože je ťažko kontrolovateľný prúd tečúci laserom následkom strmej V-A charakteristiky. Prekročenie dovoleného prúdu môže poškodiť zrkadlá lasera následkom vysokej intenzity poľa pri veľkom optickom výkone alebo spôsobí tepelnú degradáciu lasera následkom prehriatia aktívnej vrstvy. Poškodením zrkadiel sa mení tvar L-I charakteristiky so súčasným poklesom výkonu lasera! - / Dodržiavať zásady vhodného územnenia a tienenia pre obmedzenie vplyvu toku vyrovnávacích prúdov medzi rôznymi zariadeniami - 3/ PV lasery sú citlivé na prúdové špičky a silné polia vytvárané výkonovými zariadeniami- nezapájať takéto zariadenia na spoločný rozvod - 4/ Pri manipulácii s PV laserom dodržiavať zásady zabraňujúce vybitiu elektrostatického náboja cez prívody aktívnych prvkov- použiť elektrostatické tienenie