Полупроводниковые лазеры, излучающие в области 1300.1600 нм

Лазеры на основе GaAlAs/GaAs, работающие в области длин волн 780...880 нм, применяют в системах оптической связи небольшой протяженности (бортовых, внутриобъектовых и внутригородских линиях связи). Чтобы в волоконно-оптических системах связи использовать оптический диапазон наиболее выгодный по дисперсии и потерям, в кварцевых волоконных световодах необходимо перейти к более длинноволновому излучению. Интерес к лазерным источникам длинноволнового диапазона вызван тем, что кварцевые волоконные световоды в диапазоне длин волн 1100... 1350 нм обладают минимальной дисперсией, а при = 1500...1700 нм — минимальными потерями. Это является решающим при создании линий большой емкости и большой протяженности — магистральных и междугородних линий связи. Минимальные оптические потери 0,16 дБ/км световоды на основе кварцевых стекол имеют при длине волны 1570 нм. При такой длине волны десятикратное увеличение мощности одномодового длинноволнового лазера позволяет увеличить длину передачи сигнала на 60 км. С помощью мощных длинноволновых лазеров данные могут передаваться на расстояния до 300 км практически без потерь интенсивности сигнала. Лазерные диоды на указанный диапазон длин волн (1100...1700 нм) создают на основе изопериодных гетеро-структур четверных твердых растворов InGaAsP.

Достоинством InGaAsP и InP по сравнению с GaAlAs является отсутствие алюминия, обладающего высокой химической активностью. Поэтому при выращивании InGaAsP и InP не требуется тщательной изоляции от кислорода и паров воды.

Хорошо согласованные решетки получают при соотношении концентраций в In Ga As Р соответственно у= 2,2х. Гетеролазеры получены на основе двойной и скрытой гетероструктур для диапазонов 1200...1300 и 1500...1700 нм. Активные слои изготавливают из InGaAsP, а ограничивающие (слои покрытия) из InP. Подбором состава In Ga AS P реализуют лазерное излучение на нужной длине волны.

Лазерный диод с длиной волны излучения 1300 нм

На рис. 9 показана типичная структура полоскового лазерного диода со скрытой гетероструктурой, излучающего при длине волны 1300 нм. При ширине полоски от 1 до 2 мкм пороговый ток изменяется в пределах 20...50 мА, режим работы одномодовый. Диод способен надежно работать при плотности мощности 10¹⁰ Вт/м² и размерах лазерного пятна 0,9 х 2,0 мкм. Выходная мощность ограничена главным образом разогревом активного элемента.

Рис. 9. Структура лазерного диода со скрытой гетероструктурой InGaAsP с длиной волны излучения 1,3 мкм, с шириной полосы менее 2 мкм (выполнен с лазерным кристаллом на кремниевой подложке и повернутым р-слоем вверх):

1 - n-подложка; 2 - n-слой; 3 - р-слой; 4 - активный слой InGaAsP; 5 - p-электрод; б n -электрод; 7 - припой

При комнатной температуре ватт-амперная характеристика линейна до выходной мощности 20 мВт и внешний дифференциальный квантовый выход составляет от 20 до 25 %. Лазер указанной конструкции стабильно и надежно работает при выходной мощности 5 мВт.

Лазеры с углубленной серповидной активной областью имеют улучшенные характеристики: низкую пороговую величину тока; одномодовый режим генерации; возможность работать при высокой температуре с высокой выходной мощностью; возможность высокоскоростной модуляции; высокую надежность.

Серповидный активный слой из InGaAsP погружен и находится между верхним и нижним слоями покрытия из фосфида индия. С двух сторон от активного слоя образованы п.- и p- слои фосфида индия в качестве слоев, ограничивающих ток. Изменяя состав активного слоя InGaAsP, можно реализовать генерацию лазерного излучения на длинах волн 1200,1300 и 1500 нм.

Полупроводниковый кристалл лазера монтируют в корпусе, подобном корпусу транзистора, подключая его к выводам корпуса. Кроме того, в корпусе одновременно монтируют Inga As фотодиод для управления (контроля) выходным излучением.

На рис. 10 показаны результаты долгосрочной работы лазеров с углубленным серповидным активным слоем, генерирующих излучение с длиной волны 1200 и 1300 нм.

Несмотря на то что работа лазеров была испытана при высокой температуре (70 °С) и выходной мощности 5 мВт после 4000 ч работы, для обоих лазеров были получены малое изменение рабочего тока накачки, стабильная работа и высокая надежность.