СД, СЛД, ЛД: особливості конструкції

Випромінювання СД є некогерентним (несинхронизовано по фазі часу і напрямку) та слабоспрямованим (у потрібному напрямку). Для ефективного передавання енергії від СД необхідно використовувати багатомодові ОВ з великою чисельної апертурою.Типова конструкція інтегрального СД з поверхневим виходом випромінювання (ПВВ) наведена на рис.5.3.

Рисунок 5.3 – Структура СД з ПВВ:1-епоксидна смола; 2-ОВ; 3-металеві контакти (електроди)

 

У СЛД генерація світла зумовлена як спонтанним, так і вимушеним випромінюванням. Вони, як і ЛД, містять резонатор, однак величина позитивного зворотного зв’язку недостатня для виникнення генерації світла, як в ЛД. В результаті СЛД мають більшу ніж у СД потужність випромінювання,звужену діаграму спрямованості і кращу швидкодію.

ЛД мають вбудований оптичний резонатор, що дозволяє в результаті процесу вимушеного (стимульованого) випромінювання, виникаючого за умови перевищення струмом накачки деякого поро-гового значення І_н, суттєво збільшити інтенсивність випромінювання на одній чи деяких модах резонатора. Завдяки високій спрямованості випромінювання ЛД забезпечують ефективний ввід потужності не тільки до багатомодового, але й до одномодового ОВ. Типова конструкція інтегрального ЛД (також СД і СЛД) з торцевим виходом випромінювання (ТВВ) наведена на рис. Основною особливістю у відмінністю конструкції ЛД від СД і СЛД є наявність резонатору.

Рисунок 5.4 – Типова конструкція СД, СЛД, ЛД з ТВВ

 

5.3.1 ЛД з резонатором Фабрі-Перо (FP лазери, Fabry-Perot). Резонатор у такому ЛД утворюєься торцьовими поверхнями, що оточують з обох боків гетерогенний перехід. Одна з поверхонь відбиває світло з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%, інша є напівпрозорою, забезпечуючи вихід випромінювання назовні - рис.5.4.

а)

б)

в)

Рисунок 5.5 – Типи ЛД: а) з розподіленим зворотним зв'язком, РЗЗ або DFB лазер; б) з розподіленим бреггівським відбиттям, РБВ або DBR лазер; в) з зовнішнім резонатором, ЗР або ЕC лазер.

5.3.2 ЛД з розподіленим зворотним зв'язком (РЗЗ або DFB лазер - рис.5.5а) і з розподіленим бреггівським відбиттям (РБВ або DBR лазер - рис. 5.5б). Резонатори у цих двох досить схожих типів лазерів являють собою модифікацію плоского резонатора Фабрі-Перо, у який додана періодична просторова модуляційна структура.

У DFB лазерах періодична просторова структура з’єднана з активною областю, а в DBR лазерах вона винесена за межі активної області. Періодична структура впливає на умови поширення і характеристики випромінювання. Так, перевагами DFB і DBR лазерів у порівнянні з FP лазером є зменшення залежності довжини хвилі лазера від струму інжекції і температури, висока стабільність одномодовості і практично 100% глибина модуляції. Температурний коефіцієнт для FP лазера складає близько 0,5...1 нм/°С (для DFB лазера ~ 0,07...0…0,09 нм/°С). Їх недолік – складність технології.

5.3.4 ЛД із зовнішнім резонатором (ЗР або ЕС лазер). У ЕС лазерах один чи обидва торці покриваються спеціальним шаром, що зменшує відбиття, і, відповідно, одне чи два дзеркала ставляться навколо активної області напівпровідникової структури. На рис.5.5в зображено ЕС ЛД з зовнішнім резонатором. Антивідбивне покриття зменшує коефіцієнт відбиття приблизно на чотири порядки, у той час як інший торець активного шару відбиває до 30% світлового потоку завдяки френелевському відбиттю. Зовнішне дзеркало, як правило, виконує функцію дифракційних решіток. Для поліпшення зворотного зв'язку між дзеркалом і активним елементом встановлюється лінза. Збільшуючи чи зменшуючи відстань до дзеркала, а також одночасно розвертаючи дзеркало-решітку, що еквівалентно зміні кроку решітки – можна плавно змінювати довжину хвилі випромінювання, причому діапазон змін досягає 30 нм. У силу цього, ЕС ЛД є незамінними при розробці апаратури хвильового ущільнення і вимірювальної апаратури для ВОЛЗ (по характеристиках вони схожі з DFB і DBR).

5.3.5 Напівпровідникові лазери VCSEL. В останні роки в оптичних мережах зв'язку і мережах доступу активно впроваджуються напівпровідникові лазери з вертикальним випромінюючим резонатором, точніше: лазери поверхневого випромінювання з вертикальним об'ємним резонатором – VCSEL (vertical cavity surface – emitting Lasers, рис.5.6). Особливість лазерів цього типу полягає в наступному. Стосовно площини переходу подвійної гетероструктури вісь цього резонатора розташовується вертикально. Звідси й назва лазера. В якості кожного з дзеркал використовується декілько шарів з НП матеріалу, кількість, товщина і склад яких визначають довжину хвилі випромінювання лазерного діода. Основна особливість випромінювання таких лазерів полягає в тому, що у поперечному перерізі це випромінювання близьке до кругового. Така властивість дає можливість ефективного узгодження VCSEL лазерів з оптичним волокном без будь-яких погоджуючих пристроїв і тим самим різко знизити вартість лазера. Лазерами VCSEL зацікавилися розробники апаратури для високошвидкісних ВОЛЗ, що працюють у діапазонах С та L, тобто у 1528-1625 нм. На рис.5.6 подано схему поперечного перерізу напівпровідникової структури лазера VCSEL. На європейських і американських конференціях з ВОЛЗ і елементів ЕСОС і OFC за 2001-2012р. спостерігається зростання кількості доповідей, які присвячено лазерам VCSEL. Це свідчить про перспективність застосування лазерів такого типу як в оптичних мережах доступу, так і в магістральних волоконно-оптичних систем передачі (ВОСПІ).

Рисунок 5.6 – Поперечний переріз НП структури лазера VCSEL

 

Таким чином порівняння СД, СЛД і ЛД доводить, що в них мають місце дві головних конструктивних відмінності. По-перше, ЛД має вбудований оптичний резонатор. По-друге, ЛД працює при значно більших значеннях струмів накачування, чим СД і СЛД, що дозволяє при перевищенні деякого граничного значення одержати режим індуцированого випромінювання. Саме таке випромінювання характеризується високою когерентністю, завдяки чому ЛД мають значно меншу ширину спектра випромінювання: СД- 30…50 нм; СЛД 1-3 нм і 0,1 -0,4нм для одномодових ЛД (рис.5.7).

Рисунок 5.7 - Спектри випромінювання СД (а), СЛД (б) і ЛД (в)

 

Відзначемо, що усі НП ДВ мають цінну для ВОЛЗ практичну властивість – можливість безпосередньої (внутрішньої) модуляції (тобто зовнішній модулятор для цих ДВ не потрібний). Змінюючи величину струму інжекції (струму накачування), можна керувати інтенсивністю (потужністю) випромінювання і модулювати вихідне випромінювання. Потужність вихідного випромінювання Рвих, чи вихідна потужність випромінювання світлодіода (output power) відбиває потужність. Поряд із традиційною одиницею виміру Вт вона може вимірятися в дБм. Потужності Рвих, вимірюваної в мВт (10^-3 Вт), буде відповідати потужність Рвих = 10lgР_вих (дБм).

Використання одиниці виміру дБм спрощує енергетичний розрахунок бюджету ліній. Потужність випромінювання, що приводиться в характеристиках оптичного передавача, може варіюватися в деякому діапазоні. У таких випадках указують діапазон потужності випромінювання (output power range). Наприклад, -19…-14дБм означає, що Р_{вих min} = -19 дБм, а Р_{вих max} = -14 дБм.

 

У магістральних ВОЛЗ використовуються два вікна 1,3 і 1,55 мкм. Оскільки найменше загасання у ОВ досягається у вікні 1,55 мкм, на надпротягнених безретрансляційних ділянках (L = 100 км) ефективніше використовувати оптичні передавачі саме з цією довжи-ною хвилі. У той же час на багатьох магістральних ВОЛЗ до складу ВОК входять тільки східчасті одномодові ОВ, що мають мінімум хроматичної дисперсії в околиці 1,3 мкм (волокон зі зміщеною диспе-рсією немає). На довжині хвилі 1,55 мкм питома хроматична диспер-сія в SMF складає 17 пс/ нм ^. км. А оскільки смуга пропущення зворот-ньо пропорційна ширині спектра випромінювання, то збільшити смугу пропущення можна тільки зменшуючи ширину спектра випроміню-вання лазера. При ширині спектра ∆λ= 4 нм смуга пропущення на 100 км складає 63 Мгц, а при ∆λ = 0,2 нм відповідно 1260 МГц. Отже, для того щоб оптичні передавачі на довжині хвилі 1,55 мкм могли в одна-ковій мірі використовуватися на протяжній лінії не тільки з одномо-довим ОВ зі зміщеною дисперсією (DSF), але і зі східчастим волокном (SMF), необхідно робити ширину спектру випромінювання передавачів найменшою.

 

5.4 ІНШІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВ.

Важливими характеристиками ДВ є швидкодія, деградація і час наробіток на відмовлення функціонування ДВ.

5.4.1 Швидкодія ДВ. Експериментально вимірюваним параметром, що відображує швидкодію джерела випромінювання, є максимальна частота модуляці. Попередньо встановлюються пороги 0,1 і 0,9 від сталого значення потужності світлового випромінювання при низькочастотній модуляції прямокутними імпульсами струму. В міру зростання частоти модуляції, тобто при переході на менші масштаби по тимчасовій шкалі, форма світлових фронтів стає більш пологою. Для опису фрон-тів уводять часи наростання τ rise і спаду τ fall потужності випромінювання, обумовлені як тимчасові інтервали, за які відбувається зростання від 0,1 до 0,9 і, навпаки, спад світлового сигналу від 0,9 до 0,1. Максимальна частота модуляції визначається як частота вхідних електричних імпульсів, при яких вихідний оптичний сигнал перестає перетинати граничні значення 0,1 і 0,9, залишаючись при цьому у внутрішній області. Для СД ця частота може досягати до 0,2…0,5ГГц, а в ЛД - значно більше (декілько десятків ГГц). Часи наростання і спаду надають інформацію про смугу пропущення W. Якщо припустити, що вони рівні між собою (а це не завжди так), то смугу пропущення можна визначити по формулі:

W = 0,35/τ

(5.1)