Одномодовые канальные лазеры для волоконно-оптнческих линий связи

 

Излучение гетеролазеров испытывает меньшую дисперсию и по­этому более эффективно может быть согласовано с волоконными све­товодами. Для оптической связи наиболее подходящим является симметричный двойной гетеропереход с полосковым кон­тактом или гетероструктура с раздельными оптическим и электрон­ным ограничениями (рис. 4).

В гетероструктурах с раздельными оптическим и электронным ог­раничениями излучение распространяется в слоях х х х х, а носители рекомбинируют в более тонком слое х х.

Для использования в системах оптической связи к лазерному ис­точнику света предъявляют следующие основные требования: не­прерывный или квазинепрервный режим работы при температуре

 

 

Рис. 4. Схема лазерной гетероструктуры с раздельным

электронным и оптическим отражением

 

не ниже комнатной; стабильная одномодовая генерация; низкий пороговый ток; линей­ная зависимость выходной мощности от тока, малая изучаю­щая площадь, позво­ляющая получить вы­сокий коэффициент связи с волокном; вы­сокая кратковременная и долговременная ста­бильность мощности излучения, высокая мо­нохроматичность, вы­сокая яркость излуче­ния и высокий срок службы (порядка 10 ч или 12 лет).

Гетеролазеры, ис­пользуемые в оптиче­ской связи, относятся к полосковым лазерам. Полосковый лазер - это полупроволниковый лазер, в котором активная область (область генерации) выполнена в виде полоски

В гомолазерах возможна перестройка спектра к генерация в ши­роком диапазоне спектра за счет выбора компонентов р-n-перехода. Но активная область гомолазера неоднородна, имеет градиенты кон­центраций электронов н дырок и характеризуется зависимостью ко­эффициента усиления от координаты.  Из-за неоднородности актив­ная

7

область гомолазера может уменьшиться до очень малых разме­ров, что приведет к срыву генерации. В полосковых гетеролазерах активный слой более однороден, требуется меньшая мощность для генерации излучения и можно реализовать одномодовый режим гене­рации. Для обеспечения устойчивой олномодовой генерации разра­ботаны различные конструкции полосковых лазеров.

В полосковых лазерах при усилении тока возможно его растека­ние за пределы активной области, расположенной под полосковым контактом. Это вызывает генерацию поперечных мод, которые могут привести к срыву генерации. Для подавления паразитных поперечных мод проводят целенаправленное изменение показателя преломления в направлении, параллельном плоскости перехода, в результате чего образуется лазерный диэлектричсскнй волновод. Такие гетеролазеры называют лазерами с управляемым коэффициентом преломления или канальными. Существуют различные конструкции таких лазеров (рис 5). Значительно более сильная боковая локализация оптиче­ского излучения обеспечивается в конструкциях, которые называют скрытыми гетероструктурами (рис 5 а).

 

 

Рис. 5. Структура полосковых лазеров с селекцией поперечных мод:

а - лазер со скрытой гетероструктурой; 6 - лазер с поперечным p-n--переходом;

в - планарный полосковый лазер с канализированной подложкой;

г - гетеролазер с расширенным волноводом

 

 

Полосковые гетеролазеры изготавливают на основе гетероструктуры GaAIAs/GaAs (излучают в области 780...900 нм) и GalnAsP/InP (излучают в области от 1300 до 1670 нм).

Гетеролазеры с управляемым коэффициентом преломления изготав­ливают следующими способами: легированием, частичным утолщением слоев; поглощением света, выходящего из активного слоя другими слоя­ми; размещением диэлектрического волновода в полупроводнике с более низким показателем преломления.

Первый способ реализуют диффузией цинка с поверхности в глубь структуры (ниже

8

активного слоя) в полосковом лазере с поперечным р-л-переходом (рис. 5б ). Так как инжекция носителей в р-п- переход на арсениде галлия возникает при более низком напряжении по сравнению с р-п-переходом в слое покрытия из GaAlAs, то ток бу­дет втекать в активную область из GaAs (показано стрелкой). С по­мощью двойной гетероструктуры и p-n--перехода свет будет удержи­ваться в области размером 1x3 мкм². Пороговое значение тока со­ставляет примерно 20 мА.

При втором способе выращивают активный слой на подложке с предварительно вытравленной канавкой (каналом), на которую на­несен слой покрытия с малой толщиной вне канавки (рис. 5 в). Так как подложка из GaAs непрозрачна для генерируемых длин волн све­та, то вне канала имеет место сильное поглощение света и возникает разность потерь света, что позволяет формировать одну устойчивую поперечную моду. Лазер такой конструкции называют пленарным полосковым лазером с канализированной подложкой. Пороговое значение тока лазера равно 60...80 мА.

Третьим способом изготовляется плосковыпуклый гетеролазер плоским активным слоем (гетеролазер с расширенным волноводом), но со ступенчатым или линзообразным изменением толщины сосед­них световодных слоев. Как и во втором способе, в подложке делают углубление и выращивают слой, утолщенный полосой посередине, который и поглощает свет, вышедший за пределы световодной об­ласти (рис. 45).

Четвертый способ реализуется в лазерах со скрытой гетероструктурой, в которых активную область в виде полоски 1...3 мкм со всех сто­рон окружают материалом с большой шириной запрещенной зоны (рис. 5 а). В подложке мезатравлением делают выступ, а затем вы­ращивают слой структуры. В результате разности в коэффициентах преломления активной области и слоя покрытия образуется световод. Полученный гетеробарьер удерживает инжектированные носители за­ряда (не происходит их растекания в поперечном направлении). Поро­говое значение тока для таких лазеров составляет обычно 10... 30 мА

Конструкции лазеров (рис. 4а, б, г) не зависят от материала. Однако конструкция, приведенная на рис. 4в, принципиально должна иметь подложку, изготовленную из полупроводникового ма­териала, поглощающего лазерное излучение. Кроме того в пленар­ном полосковом лазере с канализированной подложкой и плосковы­пуклом лазере можно существенно уменьшить распространение излу­чения в поперечном горизонтальном направлении, что по сравнению с лазерами со скрытой гетероструктурой позволяет увеличить шири­ну полоски до 5000...8000 нм и увеличить мощность излучения лазера до 10 мВт без сокращения его срока службы.

Спектр генерации GaAlAs-лазера с управляемым коэффициентом преломления (рис. 6) зависит от излучаемой оптической мощности. В окрестности порога имеются многочисленные продольные моды, но при оптической мощности свыше 1...2 мВт возрастает интенсив­ность только одной продольной моды и на ней возникает генерация, т.е. происходит сужение спектра генерации. При высоком уровне инжекции отношение интенсивностей света моды генерации и соседней моды достигает уровня 10³, т.е. резко возрастает монохроматичность оптического излучения.

При росте тока инжекции происходит перескок моды генерации на продольную моду с большей длиной волны. Это связано с повышением температуры активного слоя при увеличении тока инжекции, что при­водит к сдвигу спектра усиления в длинноволновую область на не­сколько десятых долей нанометра. Усредненное изменение длины вол­ны для GaAlAs-лазеров составляет 0,3 нм/°С, а для lnGaAsP-лазеров — 0,4...0,5 нм/°С Увеличение длины волны лазерной генерации происхо­дит и в отсутствие перескока моды из-за температурной зависимости показателя преломления и составляет приблизительно 0,1 нм/°С.

Толщина активного слоя в лазерах на двойной гетероструктуре всегда менее одного микрометра. В результате в активном слое может возбуждаться только низшая поперечная

9

пересекающая мода. Число поперечных боковых мод зависит от ширины резонатора, но ширина полоски также важна. В гетеролазерах со скрытым гетеропереходом боковое ограничение излучения значительно больше, чем в лазерах других конструкций.

 

 

Рис.6. Спектр генерации GaAlAs-гетеролазера с управляемым коэффициентом

преломления при различных токах накачки

 

В полосковых гетеролазерах с шириной полоски более 20 мкм на­блюдают резкий переход через лазерный порог, после чего возбуж­даются моды высокого порядка. С ростом уровня инжекцнн выход­ная мощность лазера растет линейно, пока разогрев активного эле­мента не приведет к некоторому насыщению выходной мощности. Но в целом процесс гораздо сложнее: происходит распределение усиле­ния, способствующее возникновению самофокусировки излучения и формированию шнуров внутри лазерного резонатора. При уменьше­нии ширины полоски до 20 мкм и менее возрастают потери для мод высоких порядков. Тогда сразу за порогом генерации появляется только основная поперечная боковая мода. При дальнейшем увели­чении тока накачки появляются боковые поперечные моды высоких порядков по мере достижения их порога возбуждения. Уменьшение ширины полоски до 10 мкм и менее приводит к увеличению порога возбуждения мод высоких порядков до уровней, превышающих воз­можности лазера. Наличие боковых поперечных мод оказывает влияние на пространственное распределение интенсивности лазерно­го излучения и на ширину его спектра.

В ближнем поле излучения лазера при уширении полоски наб­людается тенденция к образованию шнуров (рис. 7). В дальнем поле при возбуждении только низшей поперечной пересекающей мо­ды в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, наблюда­ется единственный максимум. Угловая расходимость излучения зави­сит от толщины активного слоя и скачка коэффициента преломления в гетероструктуре. На рис. 7. показана зависимость угла расходи­мости 0х от толодины активного слоя для разных

10

значений относи­тельной разности коэффициентов преломления Л. При существенном уменьшении толгщшы активного слоя поперечные моды проникают в слои покрытия активной области, что приводит к увеличению лазер­ного пятна (см. рис. 7) на выходном торце лазерного диода, По­этому с уменьшением толщины активного слоя будет уменьшаться угол расходимости. При Д = 8,7 % и d = 50 нм угол 0i равен 30°. При угле 0 _L = 30° толщина активного слоя с уменьшением относительной разности коэффициентов преломления будет возрастать. Если в гетеролазере со скрытой гетероструктурой 0~30°, то оказывается воз­можным получить дальнее поле в виде круга.

Применяемые в настоящее время полосковые гетеролазеры с управляемым коэффициентом преломления могут работать как в не­прерывном, так и в импульсном режимах.

 

 

Рис. 7. Распределение интенсивности излучения GaAlAs-гетеролазера в ближней и

дальней зонах при разной ширине полоски

 

Если лазерный диод на основе GaAlAs излучает в непрерывном ре­жиме мощность свыше 6...9 мВт на квадратный микрометр излучаю­щей поверхности, то плотность энергии внутри активного элемента такова, что на частично отражающих гранях диода начинаются хими­ческие реакции. Зеркальные грани постепенно тускнеют в результате образования аморфного оксида. По истечении определенного времени работа лазерного диода ухудшается и он выходит из строя. При плот­ности 20...25 мВт на квадратный микрометр поглощение излучения на гранях скола приводит к возникновению процесса термического испарения. Поверхность при этом нагревается до 1500 К, начинается

11

плавление полупроводникового материала и лазерный диод вьгходит из строя. Пределы на максимальную выходную мощность лазерных диодов с катастрофической деградацией зеркал могут быть смягчены одним из трех способов:

1) увеличением размера лазерного пятна с целью увеличения разме­ров поверхности, подвергающейся воздействию излучения. Это позво­ляет увеличить мощность излучения до наступления деградации;

2) покрытием грани лазерного диода материалом с низким коэф­фициентом отражения для увеличения отношения пропускаемой мощности к падающей и, следовательно, к увеличению отношения излучаемой мощности к мощности внутри резонатора;

3) предотвращением поглощения лазерного излучения зеркала­ми, что позволяет не допустить деградации при высоких мощностях излучения.

 

 

Рис.7. Результаты расчета угла расходи­мости 0 выходного пучка гетеролазера по уровню половинной мощности (кружками отмечены эксперимен­тальные значения 0) при =1,31 мкм;   -отношение толщины активного слоя к дли­не волны

 

 

Для увеличения размера лазерного пятна в активном элементе из­готавливается большая оптическая полость в виде светопгюводящего слоя, расположенного непосредственно под активным слоем. Основ­ная часть светового потока распространяется по оптической полости, в то время как излучение подводится из активного слоя, расположен­ного выше. Большинство лазерных диодов с управляемым коэффици­ентом преломления имеют лазерное пятно размерами 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту, что существенно больше размеров толщины активно­го слоя, поскольку примерно 50 % излучения проходит в покрываю­щих слоях. Такие лазеры могут надежно работать только при мощно­стях, не повышающих 3...5 мВт. Описанным выше способом поперечнный размер может быть увеличен до 1,5 мкм, а ширина до 6 мкм. Уве­личение размера лазерного пятна приводит к уменьшению расходи­мости лазерного луча. Так, лазер на основе GaAlAs при размерах пятна 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту дает эллиптический луч с расхождением = 12° и 0_Х = 45°, в то время как лазерные структуры с увеличенным размером лазерного пятна дают более узкие лучи:

12

Наиболее перспективные мощные одномодовые лазеры на основе GaAlAs, работающие при длинах волны менее 900 нм, делятся на три основных типа: структуры с большим оптическим резонатором, структуры с тонким активным слоем и структуры с непоглощающими зеркалами.

 

 

Рис. 8. Ватт-амперные характеристики Ga А1 As-гетеролазеров:

1 - лазеры с большим оптическим резонато­ром;

2 - лазеры с тонким активным слоем;

3 - лазеры с зеркалами

 

Основной характеристи­кой, определяющей эффек­тивность лазерного диода, является ватт-амперная ха­рактеристика (рис. 8). Большинство мощных лазе­ров на основе GaAlAs дости­гают порога генерации при токе смещения 50... 100 мА, причем выходная оптическая мощность лазера увеличива­ется до тех пор, пока не на­чинается разрушение излу­чающей грани. В общем слу­чае наиболее эффективными являются лазеры с большим оптическим резонатором (рис. 8, кривые 1) по срав­нению с лазерами с тонким активным слоем (рис. 8, кривые 2). Наивысшая эф­фективность преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров составляет 35 %, а при наличии антиотражающего покрытия на передней грани их эф­фективность возрастает на 50...70 %. Лазеры с непоглощающими зеркалами менее разработаны из-за технологических сложностей их изготовления (рис. 8, кривые 3).

В лабораторных условиях достигнута мощность излучения свыше 100 мВт в непрерывном режиме работы. Но стабильно работают мощные лазерные диоды в течение 10000 ч при уровне мощности от 15 до 30 мВт. Этот уровень мощности ограничен главным образом тепловыми эффектами.

Дальнейшее улучшение характера распределения линий тока под контактом, улучшение качества материалов и теплового режима рабо­ты лазера позволит достичь надежного уровня мощности в непрерыв­ном режиме до 30...40 мВт в промышленных лазерных структурах. Использование антиотражательных покрытий позволит еще поднять мощность до 50...60 мВт.

Важным применением лазеров на основе GaAlAs с высокой мощ­ностью являются волоконно-оптические распределительные системы связи, например, системы распределения данных в компьютерных сетях, цифровые телевизионные сети. В таких системах мощные лазе­ры могут распределять информацию на количество терминалов, в десять раз превышающее возможности имеющихся в настоящее время локальных сетей.

Наиболее важное применение мощные лазеры в настоящее время нашли в оптических записывающих системах, которые обещают ока­зать сильную конкуренцию магнитным лентам и дискам в записи и хранении информации в связи с их большей емкостью.

13

Скорость запи­си данных достигает рекордных величин и составляет 60 мегабайт в секунду- Мощные лазерные диоды на основе GaAlAs могут существен­но снизить стоимость и размеры быстродействующих лазерных прин­теров. Для этих целей использовали гелий-неоновые газовые лазеры, которые являются громоздкими и имеют коэффициент преобразования мощности ниже 0,1 %. Лазерные диоды компактные и имеют величину коэффициента преобразования мощности от 10 до 20 %, т.е. лишь 5-10 электронов требуется в лазерном диоде для генерации одного фотона.

Внутренние ограничения на максимальную оптическую мощность лазерных диодов можно снять путем создания многоэлементных фа­зированных инжекционных лазеров или фазированных лазерных ре­шеток. В пределах единой гетероструктуры интегрируется несколько десятков полосковых лазеров, потоки которых взаимодействуют ме­жду собой, что приводит к когерентному сложению их мощностей и все лазеры ведут себя как единый источник света с большой мощно­стью. Одновременно уменьшается угол расходимости излучения в плоскости гетероперехода. Например, линейная фазированная ре­шетка из 10 элементов с промежутками 5 мкм при длине излучения 850 нм может излучать мощность до 500 мВт при ширине пучка в 1°.

Надежные лазерные диоды могут революционизировать космиче­скую связь — передачу информации между спутниками. Эти лазеры компактнее, эффективнее и дают более коллимированные и менее дисперсионные пучки, чем микроволновые источники. Кроме того, при использовании техники деления длины волны можно передавать по одному каналу связи сигналы на разных длинах волн, что позво­лит существенно увеличить скорость передачи информации по срав­нению с микроволновыми источниками.