UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI FACULTATEA DE ELECTRONICA TELECOMUNICATII SI TEHNOLOGIA INFORMATIEI REFERAT Surse de radiaţie LASER folosite la MEMS-uri: caracteristici, lungimi de undă emise, construcţie, funcţionare, utilizări, aplicaţii, utilizări aferente. Student: Bortos Ioana-Mihaela Grupa: 56 RC
I.INTRODUCERE. În 1954 a fost realizat primul MASER (Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation), dovedindu-se astfel posibilitatea folosirii fenomenului de emisie stimulată în obţinerea unor "surse" de radiaţie electromagnetică în domeniul microundelor, dar au mai trebuit să treacă încă şase ani până la realizarea unei astfel de "surse" în domeniul optic, care a fost numită tot "maser", adăugându-se însă la această denumire şi sintagma "optic" pentru a preciza domeniul de frecvenţă în care lucra acest dispozitiv. De-abia în 1965 cuvântul LASER (Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation) a fost acceptat de comunitatea ştiinţifică internaţională, recunoscânduse astfel descoperirea unei noi surse de lumină, cu calităţi deosebite, descoperire ce a polarizat interesul multor colective de cercetare din lumea întreagă 1. În prezent se poate obţine efect laser (laserare) la orice lungime de undă (frecvenţă) 2, în domeniul 0,2-1mm şi selectiv la lungimi de undă mai mari de 1mm, zone de interes în infraroşu fiind: 1,1-1,5 mm şi 9-10 mm. De asemenea, interesul extinderii domeniului de "laserare" la lungimi de undă caracteristice radiaţiilor sau X (GASER, XASER) face în prezent obiect de cercetare pentru unele colective, dar rezultate concrete nu au fost încă publicate probabil datorită interesului militar pe care îl prezinta astfel de "laseri". O primă clasificare a laserilor se poate face astfel: după regimul de lucru: după mediul activ: a) laseri cu regim de funcţionare în undă continuă a) gazos (plasmă) (continuus wave laser) 3 b) lichid b) laseri cu regim de funcţionare în undă pulsată c) solid (pulsed wave laser) Menţionăm că practic în toate mediile active menţionate se pot realiza cele două regimuri de lucru. Din punct de vedere al energiei debitate în fascicolul laser există o gamă largă de laseri care au energii cuprinse între mj respectiv kj 4, randamentul de obţinere al efectului laser variind funcţie de mediul activ între 0,1% (cazul laserilor ionici) şi 60% (cazul diodelor laser). 1 Primul laser din România, un laser cu He -Ne, a fost realizat de colectivul academicianului Ion Agârbiceanu în anul 1965, ţara noastră situându -se astfel printre primele ţări din lume, după SUA şi Rusia, care au putut realiza astfel de dispozitive. 2 c
II. SURSE DE RADIATIE OPTICA II.1. SURSE OPTICE Dezvoltarea spectaculoasă a comunicaţiilor optice după anul 1970 a fost posibilă şi datorită progreselor deosebite în realizarea surselor de radiaţie optice, în particular a diodelor laser. Pentru comunicaţiile optice prezint ă interes doar o gamă relativ restrânsă de tipuri de astfel de surse. Interesează în primul rând acele resurse de radiaţie care au lărgime spectrală mică (sau foarte mică), dimensiuni mici, fiabilitate ridicată, randament energetic bun, posibilitate de modulare uşoară. Astfel, în timp, s- au impus prin performanţele lor sursele de radiaţie pe bază de joncţiuni semiconductoare de tipul diodelor luminiscente şi diodelor laser, cu anumite particularităţi constructive. LED-urile sunt surse de radiaţ ie necoerentă, de intensitate mică şi lărgime spectrală mare. Ele pot fi uşor construite, au fiabilitate mare, preţ redus, pot fi modulate până la frecvenţ e de ordinul zecilor de megahertzi şi se pot utiliza cu succes în sistemele de comunicaţii cu fibre optice pe distanţe scurte şi la viteze relativ mici ale informaţiei. Diodele laser (DL) sunt mai greu de realizat tehnologic, sunt mai scumpe dar sunt net superioare ca performanţe faţă de LED-uri. Ele pot fi modulate până la viteze de ordinul gigabit/secundă şi sunt utilizate în sistemele de viteză şi distanţă mari. La început, utilizarea diodelor laser a fost limitată din cauza fiabilităţii reduse a acestora. Necesitând un curent de comandă foarte mare, primele DL funcţionau fie la temperaturi foarte scăzute (răcite cu azot lichid sau heliu lichid), fie în regim de impulsuri foarte scurte şi cu perioada de repetiţie foarte mare. Perfecţionarea constructivă şi tehnologică continuă a permis reducerea cu trei ordine de mărime a curentului de prag, de la amperi la miliamperi, concomitent cu creşterea fiabilităţii. Dezavantajul surselor necoerente (LED-urilor) apare în multe aplicaţii ca urmare a lărgimii spectrale mari. De asemenea, nu există cavitate rezonantă şi nu există selectivitate pentru lungimea de undă a fotonilor emişi. Ca urmare, aceştia se vor propaga cu viteze diferite în fibra optică, ducând la o împrăştiere mai mare a timpilor de propagare. Sursele de radiaţie pe bază de semiconductoare au avantajul substanţial că pot fi modulate uş or prin curentul de comandă şi au un răspuns aproape liniar. Totuşi în cazul DL, mai ales când se lucrează la viteze mari, modularea directă în intensitate prin curentul de comandă introduce zgomote suplimentare (instabilităţi de funcţionare la trecerea de la starea de repaus la starea de emisie peste curentul de prag). De aceea, la sistemele de mare performanţă se folosesc metode de modulare externă a fasciculului optic emis de dioda laser. O comparaţie între LED-uri şi LD (Laser Diode) se poate observa în tabelul II.1: Caracteristici LED LD Putere de ieşire Liniară, proporţională cu curentul Proporţional cu curentul peste driver prag Curent Curentul driver: 50-100 ma Curent de prag: 5-40 ma Putere cuplată Moderată Mare Viteză Încet Rapid Lărgime de bandă Moderată Mare Lungimi de undă 0,66 1,65 µm 0,78 1,65 µm Lăţime spectrală (spectrul Largă (40-190 nm) Îngustă (0.00001 nm la 10 nm) radiaţiei emise) Tip fibră Doar multimod SM, MM Sensibilitate la temperatură Minoră Substanţială Costuri Scăzut (5-300$) Ridicat (100-10.000$) Timp de viaţă Lung Relativ lung Tabelul.II.1. Comparaţie între LED şi LD
Câteva caracteristici ale surselor de radiaţie care determină modul de folosire a lor într-o anumită aplicaţie: Lungimea de undă de vârf ( Peak Wavelength): Aceasta este lungimea de undă la care sursa emite cea mai mare putere. Ea trebuie să se potrivească cu lungimile de undă care se transmit cu cea mai mică atenuare prin fibra optică. Cele mai obişnuite peak wavelengths sunt 780, 850 şi 1310 nm pentru LED-uri şi 1310, 1550 şi 1625 nm pentru laseri. Lărgimea spectrală ( Spectral Width): Ideal toată lumina emisă de un LED sau LD ar trebui să fie pe lungimea de undă de vârf dar în practică lumina este emisă într-o gamă de lungimi de undă centrate pe lungimea de undă de vârf. Această plajă este numită lăţime spectrală a sursei. Caracteristica de emisie (Emission Pattern): Distribuţia luminii emise afectează cantitatea de lumină care poate fi cuplată în fibra optică. Dimensiunea regiunii emisive ar trebuie să fie egală cu diametrul miezului fibrei. Puterea ( Power): Cele mai bune rezultate sunt obţinute prin cuplarea a cât mai mult posibil din puterea sursei în fibră. Cerinţa cheie este aceea ca puterea de ieşire a sursei să fie destul de mare astfel încât să aplice suficientă putere detectorului de la capătul de recepţie, luând în considerare atenuarea fibrei, pierderile la cuplaje şi alte constrângeri de sistem. În general LED-urile sunt mai puţin puternice faţă de laseri. Viteza (Speed): O sursă ar trebui să se deschidă/închidă suficient de repede pentru a se încadra în limitele benzii sistemului. Viteza este în concordanţă cu timpii creştere şi descreştere ( rise şi fall ) ai sursei, adică timpul necesar sursei pentru a ajunge de la 10% la 90% din puterea de vârf. LED-urile au timpii de creştere/descreştere mai mari decât laserii. LED-urile sunt în general mai fiabile decât laserii dar ambele surse se degradează în timp. Această degradare poate fi cauzată de căldura degajat ă de sursă sau densităţi de curent accidentale. În plus LED-urile prezintă o uşurinţă mai mare în utilizare decât laserii. LED-urile se găsesc într-o largă varietate de produse electronice de larg consum. Sunt utilizate ca indicatori vizibili în cele mai multe echipamente electronice, iar diodele laser sunt folosite pe scară largă în CD playere. LED-urile folosite în fibrele optice diferă de LED-urile obişnuite pentru indicare prin două caracteristici: 1. Lungimea de undă este în infraroşul apropiat (deoarece pierderile în fibra optică sunt mai mici la aceste lungimi de undă). 2. Suprafaţa de emisie a LED-ului este mult mai mică în ideea de a permite o cât mai mare bandă de modulare şi de a îmbunătăţi eficienţa de cuplare cu miezurile mici ale fibrelor optice. Liniaritatea este o altă caracteristică importantă a surselor pentru anumite aplicaţii. Liniaritatea reprezintă gradul în care ieşirea optică este direct proporţională cu curentul electric de intrare. Multe din sursele de lumină dau puţină sau deloc atenţie liniarităţii, făcându-le folositoare doar pentru aplicaţii digitale. Aplicaţiile analogice solicită atenţie mărită asupra liniarităţii. Neliniaritatea în laseri cauzează distorsiuni armonice în semnalul analog care este transmis pe o legătură analogică pe fibră optică. II.2. EXPLICAREA ÎN VIZIUNE SIMPLIFICATĂ A FUNCTIONARII LASERILOR GENERALITĂŢI DESPRE ATOMI În Universul cunoscut de noi există în jur de 100 de tipuri diferite de atomi. Tot ceea ce ne înconjoară este făcut din aceşti 100 de atomi aşezaţi într-un număr nelimitat de combinaţii. În funcţie de
modul de aranjare a lor şi de cum sunt legaţi unii de alţii, va rezulta o bucată de metal, o cană de apă sau orice altceva. Atomii au o mişcare constantă. În continuu ei vibrează, se miş că şi se rotesc. Se mi şcă până şi atomii din care sunt făcute scaunele pe care stăm. Solidele sunt de fapt în mişcare. Atomii se pot găsi în diferite stări de excitaţie. Altfel spus, ei pot avea energii diferite. Dacă aplicăm o anumită cantitate de energie unui atom, el poate părăsi ceea ce numim nivel energetic fundamental şi ajunge la un nivel excitat. Nivelul de excitaţie depinde de cantitatea de energie care a fost aplicată atomului prin mijloace ca: lumină, căldură, electricitate. În figura II.1 avem o interpretare clasică a cum arată un atom: Interiorul unui atom Electron Nucleu Orbită Fig.II.1. Un atom, în cel mai simplist model al său, se compune dintrun nucleu şi electroni orbitali. ABSORBŢIA ENERGIEI Deşi cele mai moderne viziuni despre atomi nu descriu orbitele electronilor ca fiind discrete, este util pentru înţelegere să privim aceste orbite ca pe nivele de energie diferite ale atomului. Altfel spus, dacă aplicăm c ăldură unui atom, ne aşteptăm ca unii din electronii de pe orbitele de joasă energie să treacă pe orbite cu energie mai mare care sunt şi mai depărtate faţă de nucleu (figura II.2). E Orbita electronului Fig.II.2. Absorbţia energiei: Un atom absoarbe energie sub formă de lumină, căldură sau electricitate. Electronii pot migra de pe orbitele de energie joasă pe orbite cu energie ridicată.
Acesta este un foarte simplificat punct de vedere dar reflectă esenţa lucrurilor în ceea ce priveşte atomii. După ce un electron migrează pe o orbită de nivel energetic mare, din diferite motive, natura lucrurilor îl forţează să-şi dorească revenirea pe nivelul fundamental. Când se întâmplă acest lucru, el îşi va elibera energia acumulată de pe nivelul superior în care a fost sub forma unui foton o particulă de lumină. Putem vedea atomi eliberându-şi energia sub forma fotonilor tot timpul. De exemplu când un element al radiatorului devine incandescent, culoarea roşie apare datorită atomilor care excitaţi de căldură eliberează fotoni roşii. Când privim o imagine pe ecranul televizorului, ceea ce vedem sunt atomi de fosfor, excitaţi de electroni cu de mare viteză, emiţând lumină de diferite culori. În tot ceea ce produce lumină lumini fluorescente, etc. electronii îşi schimbă orbitele şi eliberează fotoni. CONEXIUNEA LASER/ATOM Un laser este un dispozitiv ce controlează modul în care atomii energizaţi eliberează fotoni. Laser este un acronim pentru lumina amplificată prin emisia stimulată a radiaţiei, ceea ce descrie succint felul în care lucrează un laser. Deşi există multe tipuri de laseri, cu toţii au anumite caracteristici esenţiale. Într -un laser, mediul dintr-o cavitate este activat pentru a aduce atomii într-o stare excitată. Tipic, sclipiri foarte intense de lumină sau descărc ări electrice energizează mediul şi creează un mare număr de atomi cu stări excitate (atomi cu electroni de foarte mare energie). Pentru ca laserul să lucreze eficient, este necesar să existe mulţi atomi în starea excitată. De obicei, atomii sunt excitaţi până la un nivel care este cu două sau trei nivele peste cel fundamental. Acest lucru creşte gradul de inversie a populaţiei. Inversia populaţiei este determinată de numărul de atomi din starea excitată faţă de numărul celor de pe nivelul fundamental. După cum am precizat anterior, aşa cum un electron a absorbit o anumită cantitate de energie pentru a ajunge la nivelul excitat, el poate de asemenea să elibereze această energie. Energia emisă poate fi sub forma unui foton (energie luminoasă ). Fotonul emis are o lungime de und ă specifică (deci o culoare specifică) ce depinde de nivelul energetic al electronului la momentul la care fotonul este eliberat. Doi atomi identici cu electroni în stări identice vor elibera fotoni cu lungimi de undă identice. E Foton de lumină Fig.II.3. Emisia de lumină LUMINA LASERULUI Lumina laserului este foarte diferită de lumina normală. Ea are următoarele proprietăţi: - Lumina eliberată este monocromatică. Ea conţ ine o singură lungime de undă (o singură culoare). Lungimea de undă a luminii este dată de cantitatea de energie eliberată când electronul cade pe o orbită mai joasă.
- Lumina eliberată este coerentă. Aceasta înseamnă că toţi electronii din acelaşi front de undă sunt lansaţi la unison. - Lumina este foarte direcţională. Lumina unui laser are un fascicul foarte puternic şi concentrat. O iluminare obişnuită, pe de altă parte, eliberează lumină în mai multe direcţii, iar lumina este slabă şi difuză. Pentru a realiza aceste trei proprietăţi, este implicată aici ceea ce se numeşte emisie stimulată. Ea nu apare într-o strălucire de lumină oarecare în asemenea situaţie, toţi atomii îşi eliberează fotonii aleator. În emisia stimulată, emisia de fotoni este organizată. Fotonul pe care orice atom îl eliberează are o anumită lungime de undă, dependentă de diferenţa de energie dintre starea excitată şi starea fundamentală. Dacă acest foton (cu o anumită energie şi fază) întâlneşte un alt atom cu un electron în aceeaşi stare de excitare, poate apărea emisia stimulată. Primul foton poate stimula sau induce emisia atomică astfel că fotonul emis ulterior (de la al doilea atom) vibrează cu aceeaşi frecvenţă şi direcţie ca şi fotonul incident. Celălalt element important al unui laser este o pereche de oglinzi, câte una la fiecare capăt al mediului de formare a laserului. Fotonii cu lungime de undă şi fază specifice, se reflectă de oglinzi şi călătoresc înainte şi înapoi prin mediul respectiv. În acest proces, ei stimulează alţi electroni să facă saltul energetic în jos şi determină astfel emisia a mai multor fotoni cu aceeaşi lungime de undă şi fază. Apare un efect în cascadă şi curând vom avea foarte mulţi fotoni de aceeaşi lungime de undă şi fază. Oglinda de la un capăt al cavităţii este jumătate argintată, înţelegând că această oglindă reflectă anumită o lumină şi lasă o altă lumină să treacă. Lumina care trece prin ea este de fapt lumina laserului. Se pot vedea toate aceste componente în figurile care urmează, ilustrând cât de simplu poate fi modul de lucru al unui laser cu rubin. LASERII CU RUBIN Un laser cu rubin constă într-un tub luminos (ca tubul cu neon din cameră), un cilindru de rubin şi două oglinzi (una din ele este jumătate argintată). Lumină emisă Fig.II.4. a) Laserul în stare neexcitată Atom excitat
Fig.II.4. c) Unii dintre aceşti atomi emit fotoni. O parte din fotoni se mişcă într-o direcţie paralelă cu axa rubinului, astfel că ei ricoşează înapoi din oglinzi şi vor stimula emisia în alţi atomi. Fig.II.4. d) Un fascicul de lumină monocromatică, de unică fază păr ăseşte rubinul prin oglinda jumătate argintată iată lumina laserului II.3. BAZELE EMISIEI RADIATIEI ÎN SEMICONDUCTOARE Emisia fotonilor de către LED-uri ş i DL polarizate direct este rezultatul combinării radiative a perechilor de purtători (electroni şi goluri) injectaţi prin joncţ iunea p-n. Recombină rile radiative apar numai în semiconductoare cu bandă interzisă directă. În orice semiconductor, fie că este intrinsec sau dopat, la o temperatură dată T există întotdeauna un număr oarecare de purtători liberi (electroni şi goluri) care ocupă niveluri energetice libere în benzile energetice libere şi în benzile energetice permise ale semiconductorului. Distribuţia acestor purtători după energie (E) este dată de funcţia Fermi-Dirac, conform căreia probabilitatea ca un electron liber să ocupe un nivel energetic ε este:
1 Pn(E) = E EF, 1 + e kt unde (E) este energia nivelului Fermi. Ea corespunde acelui nivel energetic pentru care probabilitatea de a fi ocupat de un electron este egală cu probabilitatea de a nu fi ocupat şi este 0,5. În condiţii de echilibru termic, acest nivel energetic este unic în tot cristalul semiconductor. Probabilitatea ca un nivel energetic să fie liber (adică să existe un gol) este: Pp(E) = 1- Pn(E). Dacă energia purtătorilor este mare în comparaţie cu energia termică, adică E-EF>>kT, atunci distribuţiile purtătorilor se pot aproxima: E EF EF E Pn(E) e kt şi Pp e kt. Ele se aplică nivelurilor energetice situate în benzile de conducţie şi de valenţă. II.3.1. DIODE LUMINISCENTE PENTRU COMUNICAŢII OPTICE LED-uri cu emisie de suprafata de tip Burrus O cale simplă de a obţine o radianţă mare este limitarea emisiei la o suprafaţă circulară redusă. Acest model a fost propus de Burrus ş i Dawson şi sunt cunoscute sub denumirea de diode de tip Burrus. Limitarea suprafeţei emisive se face prin limitarea zonei de injecţie a purtătorilor (a curentului de injecţie), izolând cu SiO2 părţile inactive ale structurii semiconductoare. Această structură asigură o impedanţă termică mică, permiţ ând densităţi mari de curent din regiunea activă. Densitatea de putere disipată de diodă se poate calcula cu relaţia: JU = η T, x unde J densitatea de curent, U tensiunea pe diodă, T diferenţa de temperatură între joncţiune şi mediul ambiant, x distanţa de la zona activă la radiator, η - conductivitatea termică a semiconductorului. Practic s-a constatat că la creşterea temperaturii joncţiunii la 90 100 0 C, puterea optică scade cu aproape 50% faţă de cea la temperatura normală. De aceea este foarte important să se menţină temperatura joncţiunii sub 60 70 0 C prin utilizarea unui radiator termic adecvat. LED-uri cu geometrie de banda si cu emisie laterala Pentru reducerea pierderilor de putere prin emisie optică în alte direcţii decât cea dorită, zona activă se realizează sub forma unui ghid dreptunghiular prin creşterea indicelui de refracţ ie în zonele adiacente. În plus, injecţia de curent se face printr-o bandă îngustă, asigurând densităţi mari de curent la curenţi de injecţie relativ mici. Ca urmare, se obţine o densitate de putere optică mare (diode superluminiscente). Aceste diode au structură asemănătoare diodelor laser, mai puţin oglinzile reflectorizante. Divergenţa unghiulară a fasciculului optic emis de aceste LED-uri este mai mic decât la cele cu emisie de suprafaţă, ceea ce favorizează mult cuplarea radiaţiei în fibra optică.
II.3.2. DIODE LASER PENTRU COMUNICATII OPTICE Dioda laser este o sursă de radiaţie optică din categoria generatoarelor cuantice. Este formată dintr-o joncţiune semiconductoare puternic dopată p + - n +, închisă într-o cavitate rezonantă şi care, polarizată direct suficient de mult, produce radiaţie laser. Condiţiile constructive şi funcţionale ale DL sunt: - existenţa unui rezonator cu factor de calitate foarte bun care să selecteze o anumită lungime de undă din radiaţia optică; - polarizarea directă foarte puternică prin care se creează şi se întreţine inversia de populaţie în zona activă; - compensarea pierderilor de radiaţie prin amplificare optică internă Conditiile de generare laser -Cavitatea rezonantă. Dioda laser, fiind un oscilator cuantic, are nevoie de un rezonator în care să ia naştere oscilaţia. Caracteristicile rezonatorului (formă, dimensiuni, selectivitate) au mare influenţă asupra caracteristicilor radiaţiei generate. Rezonatoarele pot fi interne, ele incluzând mediul activ în care se produc tranziţiile radiative, sau externe (nu includ mediul activ, ci numai câmpul optic). În rezonator iau naştere unde staţionare, corespunzătoare modurilor de oscilaţie ale câmpului optic. Diodele laser cele mai întâlnite sunt rezonatoarele Fabry-Perot (figura II.5). Ele au formă de paralelipiped dreptunghic, mărginite la capete de două oglinzi reflectoare, una cu reflexie aproape totală şi una semitransparentă, prin care se extrage câmpul optic. Oglinzile se ob ţin prin şlefuire sau, mai uzual, prin clivaj şi trebuie să fie perfect plane şi paralele. Celelalte patru feţe ale rezonatorului sunt mă rginite de medii optice cu indici de refracţie mai mici, obţinând astfel un efect de ghidare a câmpului în interiorul rezonatorului. n1 n2 n1>n2 oglindă oglindă l Fig.II.5. Rezonator Fabry-Perot Orice rezonator permite existenţa unui număr oarecare de moduri, fiecare având frecvenţa proprie de oscilaţie. Un mod este caracterizat prin trei indici de mod (trei numere întregi) i, j, k, acestea arătând numărul de maxime (sau de minime) ale distribuţiei câmpului pe cele trei direcţii perpendiculare x, y, z. Condiţia de rezonanţă pe o direcţie din cele trei este ca lungimea l a rezonatorului pe acea direcţie să fie un număr întreg de semilungimi de undă ale modului de ordinul dat k : k λ 2 k =n e l, unde k Z şi n e este indicele de refracţie efectiv la lungimea de undă λk.
fi: Având în vedere legătura dintre lungimea de undă şi frecvenţă, frecvenţa proprie a modului k va f k kc = 2nel. Interferometrele Mach -Zender separă lumina în două fascicule. Cele două fascicule se propagă pe distanţe uşor diferite. Ele sunt apoi recombinate şi se află în fază doar pentru anumite lungimi de undă. II.4. TIPURI DE LASERI PENTRU COMUNICATII OPTICE Un laser se prezintă de obicei utilizatorului final sub forma unui modul inserabil într-o placă de bază destinată unei aplicaţii specifice. El poate arăta ca în figura II.6. Fig.II.6. Un exemplu de cum se prezintă un laser unui utilizator final Există două tipuri de bază de structuri de diode laser: Fabry-Perot (FP) şi Distributed Feedback (DFB). Din cele două tipuri, laserii Fabry-Perot sunt cei mai economici dar sunt în general dispozitive zgomotoase şi lente. Laserii DFB sunt dispozitive tăcute (adică având raportul semnal/zgomot mare), au spectre de radiaţie mai înguste şi sunt mai rapide. Sunt două tehnologii laser folosite pentru aproape toate aplicaţiile de comunicaţii pe monomod: a)- laseri F-P (Fabry-Perot) - mai ieftini, puteri mai mici; - stabilitate proastă a lungimii de undă. b)- laseri DFB (Distributed Feedback) - preţ ridicat, puteri mari; - stabilitate excelentă a lungimii de undă; - stabilitate excelentă a temperaturii; - modulate intern - bune pentru puteri şi distanţe moderate - modulate extern - folosite în sistemele de azi în aplicaţii de calitate pentru transmisia de bandă largă Mai există: c)- laseri cu suprafaţă emisivă şi cavitate verticală (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) - tehnologie în implementare, promite costuri scăzute Laserii DFB prezintă cele mai înalte nivele de performanţă şi de asemenea au cele mai mari costuri dintre cele două tipuri. Ei sunt aproape monocromatici (adică ei emit o singură culoare foarte pură
Lungime de undă Lungime de undă Fig.II.7. a1) Spectrul emis la FP Fig.II.7. b1) Spectrul emis la DFB de lumină) în timp ce laserii Fabry-Perot emit lumină la un număr de lungimi de undă discrete (figura II.7). Lungime de undă Fig.II.7. a2) Spectrul emis la FP un exemplu Lungime de undă Fig.II.7. b2) Spectrul emis la DFB un exemplu Mediu activ Mediu activ a) FP b) DFB Fig.II.8. Cele mai des întâlnite rezonatoare (schematic) FP reacţia optică dată de oglinzile din capete moduri multilongitudinale zgomot mare datorat competiţiei modale DFB reacţia optică dată de grătarul de deasupra mediului activ un singur mod longitudinal zgomot mic Tabelul II.2. Comparaţie FP-DFB Laserul DFB are o structură asemănătoare cu a cavităţii Fabry-Perot, prezentată anterior în detaliu. La DFB oglinzile sunt înlocuite cu un grătar, cu rol de reflexie a electronilor din mediul activ (figura II.9). Câştig Iese lumina Grătar (selecţia modului şi oglindă distribuită) Regiune de câştig Fig.II.9. DFB toate elementele combinate şi distribuite pe lungime
Ca şi la Fabry-Perot, lungimea de undă a modului m generat se determină din relaţia: m λ 2 = nl unde de data aceasta s-a notat cu L lungimea rezonatorului. Laserii DFB tind să fie folosiţi pentru aplicaţ iile digitale de mai mare viteză şi pentru cele mai multe aplicaţii analogice datorită vitezei lor mai bune, zgomotului mai scăzut şi liniarităţii superioare. Laserii Fabry-Perot se împart în două categorii: - buried hetero (BH); - multi-quantum well (MQW). Tipul BH a fost folosit ani la rând, dar acum variantele MQW au devenit foarte răspândite datorită performanţelor mai bune în zgomot, liniaritate şi stabilitate cu temperatura. Dezavantajul laserilor MQW este tendinţa lor de a fi mai susceptibili la reflexii înapoi (către cavitatea rezonantă) backreflections. VCSEL-urile (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) sunt o nouă structură de laseri care emit lumina vertical la suprafaţa lor. Inima VCSEL-ului este o regiune cu câştig controlat numită regiune activă care emite lumină. Straturile cu diferite materiale semiconductoare deasupra şi dedesubtul regiunii active se comportă ca nişte oglinzi. Fiecare oglindă reflectă o gamă îngustă de lungimi de undă înapoi în cavitate determinând în final emisie de lumină la o singură lungime de undă. Sunt multe avantaje ale VCSEL-urilor. Dimensiunea lor mică şi oglinzile cu eficienţă ridicată necesită un curent de prag scăzut, sub 1 ma. Funcţia de transfer oferă stabilitate pentru o gamă largă de temperaturi. Aceste caracteristici fac VCSEL-ul ideal pentru aplicaţii ce necesită o matrice de dispozitive. II.4.1. CLASIFICARE DUPĂ MEDIUL ACTIV Există multe tipuri de laseri. Mediul activ al laserului poate fi un solid, gaz, lichid sau semiconductor. Laserii sunt de obicei denumiţi după tipul de material folosit pentru emisie: - Laserii în stare solidă au materialul emisiv distribuit într-o matrice solidă (cum ar fi neodymiul: ytriu-aluminiu-garnet, altfel spus laserii Yag ). Laserii neodymiu-yag emit lumină în infraroşu la 1,064 nm. - Laserii pe gaz (heliu-neon, HeNe, sunt cei mai întâlniţi laseri pe gaz) emit o lumină roşie vizibilă. Laserii pe CO2 emit energie în infraroşul îndepărtat şi sunt folosiţi la tăierea materialelor dure. - Laserii excimeri (denumirea provine de la termenii excitat şi dimeri) folosesc gaze reactive, cum ar fi clorul şi fluorul amestecate cu gaze inerte ca argonul, kriptonul sau xenonul. La stimulare electrică, apar legături chimice sub forma unor pseudo-molecule, numite dimeri. Odată cu începerea fenomenului de excitare în cascadă, aceşti dimeri produc lumină în spectrul ultraviolet. - Laserii coloraţi folosesc coloranţi organici complecşi, ca rhodamină 6G în soluţie lichidă ca mediu de excitaţie. Ei sunt reglabili într-o gamă largă de lungimi de undă. - Laserii semiconductori, numiţi şi diode laser sunt de obicei foarte mici ca dimensiuni şi folosesc puteri mici. Ei pot fi construiţi în matrice mai largi, cum sunt în sursele de imprimare din unele tipuri de imprimante laser sau CD playere. II.4.2. LUNGIMEA DE UNDĂ Un laser cu rubin (descris într-un subcapitol anterior) este un laser în stare solidă care emite la o lungime de undă de 694 nm. Alte medii de excitare se pot alege pornind de la lungimea de undă de emisie dorit ă, puterea necesară şi durata impulsului. Unii laseri pot fi foarte puternici, cum este laserul pe CO2, care poate tăia oţ elul. Motivul pentru care laserul pe CO2 este atât de periculos este că el emite lumina laser în infraroşu; radiaţia infraroşie este foarte fierbinte şi acest laser de fapt topeşte materialul pe care se focalizează.
Alţi laseri, ca diodele laser, sunt foarte slabi şi pot fi folosiţi ca simpli indicatori. Aceşti laseri emit un fascicul roşu de lumină cu o lungime de undă între 630 nm şi 680 nm. Laserii sunt utilizaţi în industrie şi cercetare pentru a face multe lucruri, inclusiv de a folosi lumina laserului pentru excitarea altor molecule şi a observa ce se întâmplă cu ele. Câţiva laseri tipici şi lungimile de undă de emisie se pot consulta din tabelul II.3. Tipul laserului Lungime de undă (nm) Galiu Nitrid Albastru spre UV 400-480 AlGaInP Roşu, temperatura camerei, cost scăzut, 10 mw 630-690 AlGaAs Infraroşu apropiat sau vizibil, temperatura camerei, 750-1000 cost scăzut, 10 mw Cu cavitate verticală - Infraroşu apropiat sau vizibil, 650-1680 temperatura camerei, cost scăzut, reglabili InGaAsP laseri de comunicaţii, infraroşu apropiat, temperatura 1200-2000 camerei Cu antimoniu infraroşul apropiat către mijlociu, temperatura 2000-4000 camerei sau răcit, 1 mw sau mai mult Cascadă Quantum infraroşu mijlociu, puteri mari, o singură 4000-12000 frecvenţă, pot necesita răcire criogenică Tabelul.II.3. Laseri şi lungimile de undă II.4.3. LASERI SIMPLI ŞI LASERI REGLABILI (AJUSTABILI) Laserii despre care s-a vorbit aici generează radiaţia optică pe o singură lungime de undă. Schematic, ei se pot reprezenta astfel (fig.ii.10). Câştig Selecţia modului Filtru Ieşire mλ/2 = nl Oglinda nr.1 Oglinda nr.2 Fig.II.10. Laser cu o singură frecvenţă posibilă În acest caz există deci o cavitate rezonantă fixă, un mediu activ ce susţ ine emisia stimulată şi un dispozitiv de filtrare pentru un anumit mod de propagare, mod corespunzător unei anumite lungimi de undă. Există de asemenea şi situaţia de mai jos (figura II.11): Câştig Faza în cavitate Filtru de selecţie a modului Ieşire reglabilă Oglinda nr.1 Oglinda nr.2 Fig.II.11. Laser cu frecvenţa reglabilă
Lungimea de undă se poate regla controlând cei trei parametri din expresia frecvenţei generate: - poziţia relativă a oglinzilor (modificarea dimensiunilor cavităţii - L): - indicele de refracţie efectiv al cavităţii (modifică faza - n); - filtrul de selecţie ( m) II.4.4. CLASIFICAREA LASERILOR DUPĂ SEMNELE DE AVERTIZARE Laserii sunt împă rţiţi în 4 categorii în funcţie de potenţialul lor de a dăuna sănătăţii omului. Orice laser trebuie etichetat cu una din cele 4 clase: Clasa I Aceşti laseri nu pot emite radiaţie laser la nivelele obişnuite de lucru. Clasa I.A. Aceasta este o denumire specială care se aplică numai la laserii ce se intenţionează a nu fi văzuţi, cum ar fi un scanner cu laser dintr-un supermarket. Limita superioară de putere a clasei I.A. este 4 mw. Clasa II Aceştia sunt laseri vizibili de putere mică ce emit la o putere radiantă ce nu depăşeşte 1 mw. Concepţia este că reacţia umană la vederea unei lumini puternice va proteja persoanele ce lucrează cu astfel de echipamente. Clasa III.A Ace ştia sunt laserii de puteri intermediare (în undă continuă: 1-5 mw) care sunt riscanţi doar la privitul în calea fasciculului de lumină. Mulţi laseri de indicare tip creion se încadrează în această clasă. Clasa III.B Laserii de puteri moderate. Clasa IV Aici avem laserii de puteri mari (în undă continuă: 500 mw) unde riscul apare la privitul lor în orice condiţii (direct sau difuzie împrăştiată) şi sunt un pericol de producere a unui incendiu sau a unor răni pe piele. Sunt necesare controale riguroase la produsele laser din clasa IV.