Лазерные диоды

Два главных конструктивных отличия есть у лазерного диода по сравнению со светодиодом.

Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор.

В полупроводниковых лазерах (LASER – усиление света путем вынужденной эмиссии излучения) зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл-воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения и большое усиление.

Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (0,1-0,4 нм) рис.7впротив30-50 нм у светодиодов, рис. 7а.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогово­го значения тока накачки I_thres , излучение становится индуцированным, что приводит к резко­му росту мощности излучения и его когерентности, рис. 9.

Рис.9- Ватт – амперные характеристики:

1.Лазерного диода

2.Светодиода

Мощность выходного излучения Р_out или выходная мощность излучения светодиода (output power) отражает мощность вводимого в волокно излучения. Наряду с традиционной единицей измерения Вт она может измеряться в дБм. Мощность излучения, приводящаяся в характеристиках оптического передатчика, может варьироваться в некотором диапазоне. В таких случаях указывают диапазон мощности излучения (output power range). Haпример, -19/-14 дБм означает, что р_{out min} = -19 дБм, а p_{out max} = -14 дБм.

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение:

- с резонатором Фабри-Перо;

- с распределенной обратной связью;

- с распределенным брэгговским отражением;

- с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

На рис. 7б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн.

Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = Nl, где D - диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - неко­торое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в об­ласть Dl_0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм.

FP лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложении, где не требуется очень высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим обра­зом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть ко­гда реализуется одномодовый режим излучения и Dl мало, с ростом скорости передачи у FP лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра Dl (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).

Этот эффект отсутствует в трёх других более совершенных типов лазер­ных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер)

Для уменьшения количества генерируемых мод (что является необходимым условием увеличения скорости передачи информации) был разработан лазер с распределенной обратной связью (РОС).

Системы обратной связи лазеров бывают дискретными – в виде расположенного вне лазерной среды оптического резонатора, состоящего в большинстве случаев из полупрозрачных зеркал, и распределенными – в виде структуры, где отражение создается периодическим изменением показателя преломления вдоль пути света рис.10а.

В DFB-лазере с РОС для уменьшения числа мод в резонаторе создается либо периодическая неоднородность показателя преломления, либо периодическое изменение оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. Такие периодические структуры называются дифракционными решетками, имеющими для создания зеркального эффекта несколько сотен штрихов (по-другому - сотен периодов). В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки. При этом расстояние между штрихами l_B (период) должно удовлетворять условию Брэгга:

l_B = mλ / 2n_эф (5)

где m – порядок дифракции,

λ – длина волны света в материале,

n_эф – эффективный показатель преломления волновода.

В лазере с РОС периодическая структура распределена по всей активной области генерации рис.10а. Положительная обратная связь создается за счет обратного рассеяния Брэгга.

Лазер с РОС – это волновод с выступами и впадинами в виде дифракционной решетки. Световая волна, проходящая по такому волноводу, рассеивается всеми точками дифракционной решетки. Во многих точках свет понемногу рассеивается в противоположных направлениях, но в целом получается рассеяние большой интенсивности. Длина волны в таком лазере определяется показателем преломления и от температуры практически не зависит.