Конструкции лазерных диодов

Конструкция простейшего ЛД, который называют ЛД с резонатором Фабри-Перо (FP), аналогична конструкции торцевого СИД (рис. 5.22). Основным достоинством такого лазера является простота конструкции. Френелевские отражатели резонатора получают простым скалыванием образца искусственного кристалла вдоль атомных плоскостей, перпендикулярных оси резонатора). Обычно такие ЛД являются многомодовыми ИИ, т.е. в них наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Для одномодовой работы используют ЛД с распределенной обратной связью (DFB), ЛД с распределенным брэгговским отражением (DBR), а также ЛД с внешним резонатором.

Рис. 5.22. Лазер с резонатором Фабри-Перро

Рис. 5.23. Лазер с распределенной обратной связью (DFB)

В ЛД с распределенной обратной связью (РОC или DFB лазер) (рис. 5.23) в активной среде создается брэгговская решетка показателя преломления - периодическая отражающая структура, которая либо наносится на поверхность волновода, либо вытравливается в нем. Период решетки d подбирается так, чтобы условие Брэгга: 2n₁d = l (фазовое условие генерации). Условие отражения от периодической структуры выполняются для лучей обоих направлений. Таким образом, периодическая решетка создает обратную связь в обоих направлениях, распределенную по всей длине лазера. Поскольку обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, то в РОС-лазерах обеспечивается режим одномодовой генерации. Еще одно преимущество РОС-лазеров – возможность размещать такие лазеры непосредственно на поверхности полупроводниковой подложки и подключать их к волноводам на поверхности этой подложки, создавая интегральные оптические устройства.

Рис. 5.24. Лазер с распределенными брэгговскими отражателями (DBR)

ЛДс распределенными брэгговскими отражателями (РБО или DBR лазеры) (рис. 5.24) также используют в качестве резонансных отражателей периодическую пространственную структуру, но в отличии от DFB-лазера в DBR-лазерах эта структура вынесена за пределы активной среды. Поскольку селективно отражающая и активная (усиливающая) области пространственно разделены, такие лазеры предоставляют больше возможностей для управления спектром излучения.

Спектр отражения брэгговского отражателя определяется числом интерферирующих отраженных пучков, которое равно числу штрихов решетки. С увеличением числа интерферирующих пучков ширина спектра отражения уменьшается. Поэтому увеличением числа штрихов можно добиться того, что условия генерации будут выполняться только для одной моды. Это обеспечивает поддержание режима одночастотной одномодовой генерации в РБО-лазерах.

Преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение ширины спектра излучения, уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодового режима и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент для FP лазера порядка 0,5-1 нм/ºС, в то время как для DFB лазера порядка 0.07-0.09 нм/ºС. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Рис. 5.25. Лазер с вертикальным резонатором

Представляют большой интерес лазерыс вертикальным резонатором VCSEL (рис. 5.25), в которых излучение направлено перпендикулярно p-n слою. В них сверху и снизу от активной области располагаются слои полупроводников с периодически изменяющейся величиной показателя преломления. Слои выполняют функции полупрозрачных зеркал.

В будущих сетях связи возможно широкое использование таких лазеров. Важнейшее их потенциальное достоинство заключается в возможности массового производства и тестирования (на одном полупроводниковом кристалле может быть изготовлено несколько сот лазеров одновременно), что, как ожидается, приведет к значительному снижению их стоимости.

Первоначально были разработаны VCSEL ЛД на длину волны 850 нм, но в настоящее время есть разработки на длину волны 1310 нм. Эти ЛД позволяют достичь скорости передачи 2.5 Гбит/с, обеспечивая передачу на расстояние до 15 км. Их достоинством помимо низкой стоимости является узкий спектр излучения и симметричная диаграмма направленности. Выходная апертура такого лазера может иметь форму квадрата, эллипса или круга и размер от 1 до 100 мкм в зависимости от применения. Поэтому при использовании VCSEL можно подобрать такую структуру излучения, которая обеспечит намного лучшее согласование с оптическим волокном, чем в случае лазеров с торцевым излучением или СИД.

Представляет интерес еще один класс лазеров - перестраиваемые. В связи с широким внедрением на оптических сетях технологии DWDM появились универсальные оптические передатчики с перестраиваемыми лазерами, способные работать на любой длине волны из частотного плана ITU‑T. Внедрение таких устройств экономически очень выгодно, так как один универсальный перестраиваемый оптический передатчик заменяет в ряде случаев линейку из нескольких десятков передатчиков с фиксированной длиной волны

Оптический передатчик с перестраиваемой длиной волны излучения содержит перестраиваемый лазер, объединенный с модулятором, и устройство привязки длины волны к стандартизованной сетке длин волн. Желательно, конечно, чтобы его цена, размеры, стабильность выходной мощности, ширина спектра, жесткость конструкции, время бесперебойной работы и другие характеристики были сопоставимы с соответствующими характеристиками существующих передатчиков с фиксированной длиной волны.

Долгое время создание передатчиков с перестраиваемой длиной волны сдерживалось отсутствием необходимых перестраиваемых лазеров, однако в последнее время характеристики перестраиваемых лазеров существенно улучшились, а их стоимость значительно сократилась.

В полупроводниковых перестраиваемых лазерах используются те же активные элементы, что и в обычных полупроводниковых лазерах с фиксированной длиной волны. Поэтому свойства перестраиваемых лазеров определяются в основном конструкциями используемых селективных перестраиваемых резонаторов.

Лазер на основе резонатора Фабри-Перо можно сделать перестраиваемым, если изменить его конструкцию следующим образом (рис. 5.26а). Одно из зеркал (внешнее) резонатора располагается вне активного элемента, а на соответствующий торец активного элемента наносят просветляющее (антиотражающее) покрытие для устранения обратного отражения и уменьшения внутрирезонаторных потерь. Антиотражающее покрытие позволяет уменьшить коэффициент отражения примерно на 4 порядка. Между внешним зеркалом и активным элементом расположен перестраиваемый селектор. Поскольку выходящее из просветленного торца полупроводникового лазера излучение обладает очень большой расходимостью, необходимо использование согласующей линзы (микролинзы). Второе зеркало располагается на втором торце полупроводникового кристалла – активного элемента. Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала можно плавно изменять длину волны излучения.

Рис. 5.26. Перестройка частоты лазера с внешним резонатором: а) обобщенная схема перестраиваемого лазера с внешним резонатором; б) спектральные зависимости коэффициента усиления, коэффициента пропускания селектора и мод резонатора Фабри – Перо

Рис. 5.27. Схема перестраиваемого лазера с двумя интерферометрами Фабри-Перо

Лучших результатов позволяет достичь селектор, образованный двумя интерферометрами Фабри – Перо с немного отличающимися оптическими длинами. Оптическая схема лазера с таким селектором приведена на рис. 5.27. Спектры пропускания двух интерферометров Фабри–Перо приведены на рис. 5.28. Перестраивая только второй интерферометр, можно настраивать составной селектор на различные резонансы первого интерферометра. Аналогично если перестраивать только первый интерферометр, то можно настраивать составной селектор на резонансы второго интерферометра. Подстраивая одновременно оба селектора, можно настроить составной селектор на любую длину волны.

Рис. 5.28. Спектры пропускания двух интерферометров Фабри-Перо и их комбинации

Один из интерферометров может быть настроен на гребенку частот ITU, тогда, перестраивая второй интерферометр, можно осуществлять переключение частоты генерации строго между стандартизованными частотами.

Существенный недостаток лазеров с внешним резонатором – его дискретная конструкция, необходимость сборки лазера из составных элементов и необходимость согласования полупроводникового волноводного усилителя с объемными элементами.

Полупроводниковые DFB-лазеры с распределенной обратной связью в отличие от лазеров с интерферометром Фабри – Перо работают в одночастотном режиме генерации (т.е. генерация осуществляется на одной поперечной и одной продольной моде). Их удобно использовать в качестве перестраиваемого источника излучения, так как они обладают заметной температурной зависимостью частоты (длины волны) генерации. Коэффициент температурной зависимости длины волны излучения типичного DFB-лазера составляет 0.1 нм/^oС.

Фактически перестраиваемые DFB-лазеры отличаются от DFB-лазеров с фиксированной частотой только одним – они содержат блок управления температурой лазера. Простота реализации таких лазеров – это главное и очень существенное преимущество перестраиваемых DFB-лазеров. Они уже производятся серийно и выпускаются в стандартных корпусах, в которых расположены также система мониторинга и привязки частоты к стандартизованной решетке частот ITU-T.

Рис. 5.29. Схема перестраиваемого 8-элементного DFB_лазера с оптическим усилителем

DFB-лазеры обладают, однако, существенным недостатком – ограниченной областью перестройки частоты. В обычном DFB-лазере величина температурной перестройки составляет 400 ГГц, что обеспечивает перекрытие 8 каналов ITU-T при расстоянии 50 ГГц или всего 4 каналов при расстоянии 100 ГГц. Для увеличения диапазона перестройки используются полностью моноблочные интегрированные конструкции, содержащие решетку из нескольких DFB-лазеров, объединенных в один блок. Так, блок из восьми параллельно расположенных DFB-лазеров и объединенных многомодовым волноводным объединителем (MMI) позволяет обеспечить диапазон перестройки до 60 нм. Для увеличения выходной мощности такого перестраиваемого лазера на выходе устанавливается усилитель (см. рис. 5.29).

Рис. 5.30. DBR_лазер: AR – просветляющее покрытие; LR – зеркало с низким коэффициентом отражения

Перестраиваемые DBR-лазеры – это волноводные аналоги лазеров с внешним резонатором. Отличие заключается в том, что активная усилительная часть лазера и внешний резонатор интегрированы (объединены) на одной подложке – при помощи одного волновода (рис. 5.30).

Простейший вариант DBR-лазера содержит один отражатель в виде распределенной брэгговской дифракционной решетки, а роль второй решетки выполняет торец полупроводникового кристалла (иногда с диэлектрическим покрытием). Решетка обычно создается периодической модуляцией толщины волновода, что приводит к периодической модуляции эффективного показателя преломления для распространяющейся моды. Такая модуляция показателя преломления приводит к эффективной связи между встречными волнами при выполнении условия Брэгга. Для получения узкого спектра отражения решетки делают относительно больших размеров и с небольшой глубиной модуляции.

Перестройка длины волны осуществляется путем инжекции носителей заряда в область решетки. При этом показатель преломления уменьшается и, следовательно, изменяется резонансная длина волны. Расчеты показывают, что для увеличения диапазона перестройки запрещенная зона пассивной части должна быть близка к энергии фотонов (или к величине запрещенной зоны усилительной области). Но слишком близкими их делать нельзя из-за увеличения затухания световой волны.

Простота конструкции и возможность интеграции с волноводными усилителями и модуляторами делают DBR-лазеры очень привлекательными. Однако область их перестройки определяется величиной относительного изменения эффективного показателя преломления и ограничивается величиной менее 20 нм. Для увеличения диапазона перестройки разработаны новые типы перестраиваемых DBR-лазеров: SG DBR-лазеры и SSG DBR-лазеры.

Рис. 5.31. Упрощенная структурная схема интегрированного моноблочного оптического излучателя с перестройкой частоты на основе SG DBR_лазера

Лазерыс профилированными брэгговскими отражателями (SG DBR)имеютструктуру, аналогичную структуре DBR-лазера. Отличие заключается в том, что в SG DBR-лазерах используются два отражателя, выполненные в виде распределенных профилированных дифракционных решеток (sampled diffraction grating – SG), которые одновременно выполняют роль узкополосных фильтров (рис. 5.31). Такие структурированные решетки расположены по обеим сторонам от области усиления. Каждая профилированная решетка (SG) представляет собой периодическую структуру из повторяющихся с определенным периодом участков с нанесенной брэгговской решеткой и участков без решетки. Периоды профилей двух решеток отличаются примерно на 10%.

Принцип селекции длины волны и перестройки основан на эффекте Вернье и аналогичен принципу перестройки селектора, состоящего из двух интерферометров Фабри – Перо. Спектр отражения каждого из двух зеркал представляет собой периодически расположенные максимумы отражения (их спектр отражения аналогичен спектру пропускания интерферометра Фабри – Перо), при этом расстояние между максимумами отличается примерно на 10%. Генерация осуществляется на длине волны, на которой максимумы отражения двух зеркал совпадают (так как периоды следования максимумов различны, они совпадают только для одной-единственной частоты).

Каждое из двух зеркал (переднее и заднее) перестраивается примерно в диапазоне 10 нм, что обеспечивает перестройку длины волны излучения лазера в диапазоне 100 нм. Вторая секция (Усиление) служит для усиления светового излучения. Третья секция (Фаза) обеспечивает тонкую подстройку оптической длины резонатора лазера и, следовательно, тонкую подстройку частоты генерации.

[1] Выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) тепла на контакте двух разнородных полупроводников или металла и полупроводника.