Многомодовые (MLM) лазеры, или лазеры с резонаторами Фабри-Перо

Многомодовые лазеры, или лазеры с резонатором Фабри-Перо (рис.6.3), излучают несколько мод, спектр которых приведен на рис.6.4.

Рис.6.3. Структура лазерного диода с p-n- и р-р⁺ -переходами и гранями, образующими резонатор Фабри-Перо

Картина спектра демонстрирует наличие доминантной моды желаемой длины волны и боковые моды меньшей амплитуды, отделенные промежутками шириной примерно в 1 нм. При модуляции излучения лазера модулируется не только основная мода, но и, точно также, боковые моды. Полная ширина спектра оптического излучения такого лазерного источника на уровне половины от максимума (FWHM) при наличии модуляции равна 4 – 5 нм.

Более тщательное изучение спектра лазера показывает, что несмотря на относительную стабильность полной выходной мощности, мощность каждой отдельной моды может значительно изменяться. Это явление, известное как распределение мощности по модам, имеет важное практическое значение. Когда лазерный сигнал передается по волокну, то, с учетом хроматической дисперсии, зависящей от длины волны, распределение мощности по модам приводит к возрастанию уровня шума в выходном сигнале. В результате в характеристике системы появляется не зависящий от мощности нижний уровень ошибок, который нельзя снизить путем выделения дополнительной мощности в бюджете системы.

6.1.2 Одномодовые (SLM) лазеры.

SLM-лазеры сконструированы так, что потери в резонаторе различны для его различных продольных мод, в противоположность тому, что имеет место для MLM, потери которых независимы от мод. В MLM-лазере продольная мода с минимальными резонаторными потерями достигает порога первой и становится доминантной модой. Другие соседние моды при этом дискриминируются, благодаря их более высоким потерям, которые удерживают нарастание мощности от спонтанного излучения. В этом случае мощность, переносимая этими «вторичными» модами, обычно низкого уровня, меньше 1% полной излучаемой мощности. Если SLM-лазер настроен правильно, то можно ожидать, что первая боковая мода по крайней мере на 30 дБ ниже, чем доминантная мода.

6.1.3 Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB).

Структура DFB-лазера имеет встроенные возможности выбора длины волны благодаря механизму обратной связи. Обратная связь не локализована в одном месте, а распределена по длине резонаторной полости. Этот тип лазера содержит периодические дифракционные решетки между двумя слоями лазерной структуры (обычно между интерфейсной п-InP подложкой и п-InGaAsP слоями) для создания обратной связи на фиксированной длине волны, которая определяется шагом дифракционной решетки. Это соответствует периодическому изменению показателя преломления моды.

DFB-лазер очень чувствителен к оптической обратной связи, в особенности от оптических разъемов, которые служат интерфейсами между лазером и волокном основной линии связи. Даже относительно небольшая обратная связь (уровнем меньше, чем 0,1%, например) может дестабилизировать лазер и повлиять на характеристики системы. Так, например, если ширина линии увеличивается, то может произойти скачкообразное изменение моды и увеличение шума относительной интенсивности (RIN) – шума, генерируемого DFB-лазером). Можно предпринять ряд шагов, чтобы уменьшить интенсивность обратной связи или ослабить эффект от ее влияния. Один из таких шагов – использовать антиотражающие покрытия. Обратную связь можно также уменьшить путем скалывания кончика волокна под небольшим углом, так чтобы отраженный свет не попал на активную область такого лазера. Еще один, более радикальный, шаг состоит в том, чтобы установить изолятор между лазером и интерфейсом оптического разъема.

Важным параметром DFB-лазера является коэффициент подавления моды (MSR). При проектировании таких типов полупроводниковых лазеров основная цель состоит в ослаблении побочных продольных мод и получении максимально возможной мощности доминантной моды (рис.6.4). Можно ожидать значение MSR на уровне > 30 дБ для DFB-лазера непрерывного излучения. Наш интерес здесь в том, чтобы передать световой сигнал лазером с одиночной и узкой спектральной линией (т.е. с доминантной модой). При идеальных условиях от таких лазеров можно ожидать ширины полосы на уровне половинной мощности (FWHM) порядка 0,2 нм (порядка 25 ГГц). Если DFB-структура для улучшения ширины линии, генерируемой лазером, комбинируется со структурой со множественными квантовыми ямами, то ширина линии может быть уменьшена до сотен кГц. Если же ширина линии становится больше, возрастает хроматическая дисперсия. DFB-лазеры имеют самую узкую спектральную линию излучения среди всех известных типов лазеров на рынке. Они практически всегда используются в системах, работающих с длинными и сверхдлинными пролетами секций.

Схема DFB-лазера представлена на рис.6.5.

Рис.6.5. Схема полупроводникового лазера с решеткой Брэгга

и внешним электроабсорбционным модулятором (EAM)

На лазерный волноводный кристалл 1 нанесена дифракционная решетка Брэгга 2. Непосредственно к нему примыкает входная грань электроабсорбционного модулятора 6. На верхней грани устройства нанесен электропроводящий слой (электрод) 3 для подвода электрического тока к лазерному кристаллу. Для подключения модулирующего электрического сигнала к EAM (электроабсорбционный модулятор) в правой части (над EAM) также нанесен электропроводящий слой 5. Электроды 3 и 5 изолированы друг от друга полупроводниковым изолятором 4 из InP. Модулированное по интенсивности излучение выходит через окно 7, поверхность которого покрыта антиотражающим слоем. Перечисленные элементы размещены на подложке 9, выполненной из материала n-InP. Лазерный кристалл выполнен из химического соединения InP/InGaAsP. Лазер предназначен для работы в ЗОП в диапазоне 1530...1565 нм. Благодаря примененной структуре и температурной стабилизации долгосрочная стабильность длины волны составляет 0,01 нм (в течение 20 лет).

Работа лазера возможна также в L-диапазоне 1560..1620 нм. Величина порогового тока I_пор = 10 мА, средний уровень выходной мощности Р_вых=–3 дБм. Для получения модуляции с коэффициентом экстинкции (коэффициент модуляции), равным 8.2 дБ (стандартная величина), требуется напряжение с двойной амплитудой 2 В (или амплитудой импульса). В данном типе модулятор почти полностью прозрачен при U_мод = 0. Данный EAM допускает частоту модуляции более 12,5 ГГц, но в ближайшем будущем она будет повышена до 50 ГГц.

6.1.4 DFB-лазеры с внешним модулятором.

До сих пор мы изучали, или, по крайней мере, упоминали, оптические источники с непосредственной модуляцией, так называемой модуляцией интенсивности. Принципиально, все, что мы делаем – это включаем и выключаем лазер, где включение соответствует двоичной 1, а выключение двоичному 0. Фактически же лазер никогда не выключается полностью. Эквивалент такого выключения – это точка на рабочей характеристики лазера, чуть выше порога (т.е. при очень малой выходной мощности) или чуть ниже порога.

Другой подход в формировании двоичных 1 и 0 – это использовать оптический модулятор. Концепции использования непосредственной модуляции и оптического (внешнего) модулятора представлены на рис.6.6. Заметьте, что оптический модулятор расположен между лазерным источником несущей волны (CW) и выходным интерфейсом волокна. Источник CW – это источник света, который всегда включен, т.е. находится в рабочем состоянии с определенным заданным уровнем мощности на выходе.

Рис.6.6. Иллюстрации концепций лазерного (DFB) передатчика с непосредственной модуляцией (а) и того же лазера, использующего внешний модулятор (б)

Оптические модуляторы являются интегральными устройствами, спроектированными для управления уровнем непрерывной оптической мощности, передаваемой оптическому волноводу. Они работают как затворы; затвор закрыт для двоичного 0 и открыт для двоичной 1. Обычно выделяют три типа модулятора:

· Маха-Цендера (M-Z);

· с использованием электрической рефракции;

· с использованием электрической абсорбции (полупроводниковые) MQW.

Модулятор Маха-Цендера (M-Z) представляет собой интерферометр, использующий волноводы на основе ниобата лития LiNbO₃ или конфигурацию направленного разветвителя. Волноводы М-Z-модулятора имеют конфигурацию Y-разветвителя. Коэффициент преломления такого материала как LiNbO₃ может изменяться под действием приложенного внешнего напряжения. В отсутствие внешнего напряжения, оптическое/электромагнитное поле в двух рукавах М-Z-модулятора (на выходе модулятора) имеет одинаковый сдвиг фаз и интерференция синфазна. Дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в одном из рукавов за счет изменения коэффициента преломления, вызванного приложенным напряжением, нарушает эту син-фазность интерференционной картины и уменьшает мощность сигнала передатчика на выходе. В частности, наблюдается полное отсутствие света на выходе, если вносимый фазовый сдвиг между двумя рукавами будет равен р, учитывая противофазный характер интерференции. В результате такого механизма действия, электрический поток бит, поданый на модулятор, создаст оптическую копию потока бит на выходе.

Характеристики внешнего модулятора численно описываются так называемым коэффициентом ослабления сигнала (ER) – отношением уровней сигнала при включенном и выключенном состояниях и модуляционной шириной полосы. Модуляторы на основе ниобата лития обеспечивают ER порядка 20 (13) дБ и могут осуществлять модуляцию потока со скоростями до 75 Гбит/с.

Модуляторы изготавливаются из электрооптических полимеров. На них достигнута модуляция потоков с предельной скоростью порядка 60 Гбит/с. Такие модуляторы часто интегрируются с электронными схемами привода (драйверами) модулятора.

Другой тип модулятора изготавливается на основе полупроводников. К ним относятся модуляторы, использующие электроабсорбцию. Эта технология использует эффект Франца-Келдыша, в соответствии с которым ширина запретной зоны полупроводника уменьшается, если к нему прикладывается поперечное электрическое поле. В этом случае прозрачный полупроводниковый слой начинает абсорбировать (поглощать) свет, когда ширина его запретной зоны уменьшается под действием приложенного внешнего напряжения. Это происходит в тот момент, когда энергия фотона превысит энергетический барьер запрещенной зоны. Учитывая, что эффект электроабсорбции проявляется сильнее в MQW-структурах, они и выбираются для использования в таких модуляторах. Для них коэффициент ослабления сигнала ER составляет 15 дБ и выше при напряжении смещения порядка 2 В, а реализуемая при этом скорость передачи достигает нескольких Гбит/с. Так, при скорости 5 Гбит/с была достигнута передача с низким уровнем «чирпа». Этот тип модуляторов используется в ВОСП при скоростях передачи порядка 20 Гбит/с, а в некоторых экспериментах были продемонстрированы скорости до 60 Гбит/с.

Основная цель использования модулятора состоит в уменьшении уширения импульса, вызванного чирпом. Многие из этих модуляторов интегрированы с ИС того же передатчика, которым они управляют.

6.1.5 Лазер с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).

Для функционирования лазеров типа MLM (Фабри-Перо), SLM и DFB требуется ток порядка нескольких десятков миллиампер. Кроме того, его выходной (расходящийся) луч, подаваемый на стык с круглым оптоволокном, имеет в поперечном сечении эллипс с коэффициентом сжатия 3:1. Такой луч плохо стыкуется с цилиндрической формой луча, который сердцевина оптоволокна способна принять. Нецилиндрический луч часто требует дополнительной оптики, чтобы состыковать его с круглым поперечным сечением сердечника оптоволокна. Лазер типа VCSEL излучает столь желательный круговой луч.

Схема структуры VCSEL-лазера приведена на рис.6.7.

Лазер типа VCSEL представляет собой вертикальную структуру из ряда слоев p -типа, активной области, и ряда слоев n -типа.

Рис.6.7. Поперечное сечение полупроводниковой структуры лазера VCSEL:

DBR – распределенный Брегговский отражатель,

BTJ – внутренний туннельный переход

Число слоев зависит от желаемой длины волны излучения. Указанные наборы слоев охватывают отражатели Брэгга, которые изготавливаются из комбинации In+Ga+As+(A1 или Р). Например, комбинация In+Ga+As+P используется для лазеров в окне длин волн 1310 – 1550 нм. Требуемые слои изготавливаются методом эпитаксиального выращивания на основе планарной технологии. Лазеры типа VCSEL работают в одномодовом (продольная мода) режиме, используя резонатор исключительно малой длины (порядка 1 мкм), для которого разнесение мод превышает полосу частот усиления. Они излучают свет в направлении перпендикулярном плоскости активного слоя, аналогично тому, как это делается в СИД с излучающей поверхностью. Работа такого лазера в одномодовом (поперечная мода) режиме может быть реализована путем уменьшения диаметра VCSEL до 2 – 3 мкм. Выходная мощность и ширина полосы лазеров типа VCSEL, как правило, ниже, чем аналогичные показатели DFB-лазеров. Их стоимость относительно низка по сравнению с DFB-лазерами, например. Другим применением VCSEL является лазерные массивы, где каждый лазер работает на своей длине волны, что идеально подходит для WDM-систем.

ГЛАВА 7

УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ СИММЕТРИЧНОГО ДВУХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В НРС и СРС, наряду с DFB-лазерами с внешними модуляторами, широкое применение получили двухчастотные излучатели на базе акусто- и электрооптических УФДЛИ. Преимущества создания двухчастотного излучения на их базе заключаются, во-первых, в однозначном соответствии величины разностной частоты и частоты управляющего поля, во-вторых, в возможности получения высокой стабильности разностной частоты, которая в основном определяется стабильностью частоты управляющего поля, и, наконец, в-третьих, в возможности использования управляющего сигнала для простого формирования электронного опорного канала.

Несмотря на то, что управляемые мощности и напряжения у акусто-опти-ческих УФДЛИ меньше, чем у электрооптических, в эксплуатации они менее стабильны и надежны. Поэтому на первый план выдвигается использование электрооптических УФДЛИ. К их классу относятся устройства, использующие нелинейные эффекты, эффект взаимодействия лазерного излучения с круговой поляризацией и вращающегося электрического поля, эффект модуляции фазы лазерного излучения по специальным законам. Большинство разработанных УФДЛИ так и остаются лабораторными. В первую очередь это объясняется значительной нестабильностью спектрального состава излучения на выходе при отклонении параметров управляющих напряжений. Данный недостаток присущ и фазовым электрооптическим УФДЛИ. Однако в этом случае следует отметить простоту преобразования частоты и ее технической реализации.

С определенной осторожностью можно утверждать, что использование электрооптических фазовых УФДЛИ будет находить все более широкое применение при условии их быстрого и качественного развития. Для этого необходимо значительно упростить методику преобразования частоты, повысить чистоту и стабильность спектральных характеристик их выходного излучения, что может быть реализовано с помощью амплитудно-фазового способа преобразования частоты.

Дата добавления: 2015-04-30