Лазери

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER) – прилад, що генерує оптичне когерентне випромінювання на основі ефекту змушеного, симульованого випромінювання. Властивість когерентності випромінювання лазера припускає погоджене протікання в часі та просторі коливальних або хвильових процесів. Випромінювана лазером електромагнітна хвиля називається когерентною, якщо її амплітуда, частота, фаза, напрямок поширення та поляризація постійні або змінюються упорядковано. Спрощена конструкція лазера представлена на рис. 3. Резонатор лазера для системи оптичного зв’язку повинний бути сконструйований таким чином, щоб у ньому зберігалося невелике число мод, а інші повинні гаситися. У широкому сенсі резонатором називають коливальну систему, в якій можливе накопичення енергії електромагнітних, акустичних або механічних коливань. У просторових (об’ємних) резонаторах можуть збуджуватися коливання тільки визначених довжин хвиль і визначеної структури, що утворять стоячу хвилю. Частоти цих коливань називаються резонансними або власними частотами резонатора, а коливання модами резонатора.

Отже, для збереження невеликого число мод резонатори виконуються відкритими. Приклад конструкції резонатора відкритого типу (Фабри – Перо) приведений на рис. 4. Електромагнітні хвилі, поширюються уздовж осі резонатора, будуть відбиватися від дзеркал перпендикулярно їхньої поверхні та інтерферувати між собою і утворять стоячі хвилі (моди).

Рисунок 3. Спрощена конструкція лазера.

Рисунок 4. Резонатор Фабри – Перо.

Таблиця 1

Основні параметри СВД з випромінюючим зрізом.

Параметр	Значення
Вихідна потужність, випромінювана в ОМ ОВ (25^0С) Числова апертура (NA) Час наростання/спаду імпульсу Ширина смуги випромінювання на рівні половини потужності Температурний коефіцієнт потужності Зміна центральної довжини хвилі з температурою Спектральне розширення	2-50 мкВт 0,1-0,6 3 нс (максимум) 30-60 нм 1,2% /^0С (типове) 0,5-0,8 нм /^0С 0,4 нм/^0С (типове)

Лазерні діоди звичайно використовуються для ліній зв’язку великої чи довжини при великій швидкості передачі (вище 155 Мбіт/с). Існує кілька типів ЛД (всі моди, розглянуті нижче, подовжні – LM):

- багатомодові (MLM) або з резонаторами Фабри-Перо;

- одномодові (SLM);

- одномодові з розподіленим зворотним зв’язком (DFB), часто називані DFB-лазерами;

- DFB-лазери з зовнішнім модулятором;

- лазери з вертикальною резонаторною порожниною і випромінюючою поверхнею (VCSEL).

На рис. 5 приведені для порівняння форми спектральних ліній СВД і лазерного діода. Типи лазерів приведені в порядку їхньої розробки, у цьому ж порядку вони будуть розглянуті нижче.

Багатомодові (MLM) лазери, або лазери з резонаторами Фабри-Перо, випромінюють кілька мод, спектр яких приведений на рис. 6. Картина спектра демонструє наявність домінантної моди бажаної довжини хвилі та бічних мод меншої амплітуди, які відділені проміжками шириною приблизно в 1 нм. При модуляції випромінювання лазера модулюється не тільки основна мода, але й, точно також, бічні моди. Повна ширина спектра оптичного випромінювання такого лазерного джерела на рівні половини від максимуму (FWHM) при наявності модуляції дорівнює 4-5 нм. Більш ретельне вивчення спектра лазера показує, що незважаючи на відносну стабільність повної вихідної потужності, потужність кожної окремої моди може значно змінюватися. Це явище, відоме як розподіл потужності по модах, має важливе практичне значення. Коли лазерний сигнал передається по волокну, то, з урахуванням групової затримки (хроматичної дисперсії), що залежить від довжини хвилі, розподіл потужності по модах призводить до зростання рівня шуму у вихідному сигналі.

Рисунок5. Типові спектри ліній, випромінюваних СВД і ЛД.

Рисунок 6. Спектр багатомодових лазерів, або лазерів з резонатором Фабри-Перо.

В результаті, у характеристиці системи з’являється незалежний від потужності нижній рівень помилок, який неможливо знизити шляхом виділення додаткової потужності в бюджеті системи. Для систем, що працюють зі швидкостями передачі даних більшими, ніж кілька сотень Мбіт/с, на ОВ з малими втратами, це явище може стати основним чинником, що обмежує довжину прольоту секції. Більш того, навіть невеликі відбиття (назад убік лазера) від зовнішніх поверхонь оптичного роз’ємного з’єднання, можуть викликати значні зміни в «поводженні» при розподілі потужності по модах, а значить і в характеристиках самої системи.

Замічено, що мається кінцева імовірність того, що рівень парних мод, що складають, у середньому, кілька відсотків від загальної потужності, може досягти більше половини загальної потужності. У цьому сенсі було б правильним визначити ефективну ширину спектра лазера, як спектральний діапазон, у межах якого моди, у середньому, можуть переносити 1 або більше відсотків загальної потужності.

Одномодові (SLM) лазери сконструйовані так, що втрати в резонаторі різні для його різних подовжніх мод, на відміну тому, що має місце для MLM, втрати яких незалежні від мод. У MLM-лазері подовжня мода з мінімальними резонаторними втратами досягає порога першою та стає домінантною модою. Інші сусідні моди при цьому дискримінуються, завдяки їх більш високим втратам, що утримують наростання потужності від спонтанного випромінювання. У цьому випадку, потужність цих «вторинних мод має звичайно низький рівень, менше 1 % повної випромінюваної потужності. Якщо SLM-лазер налаштований правильно, то можна очікувати, що перша бічна мода принаймні на 30 дБ нижче, ніж домінантна мода.

Напівпровідниковий лазер з розподіленим зворотним зв’язком (DFB). Структура DFB-лазера має вбудовані можливості вибору довжини хвилі завдяки механізму зворотного зв’язку. Зворотний зв’язок не локалізований в одному місці, а розподілений по довжині резонаторної порожнини. Цей тип лазера містить періодичну дифракційну решітку між 2-ма шарами лазерної структури (звичайно між інтерфейсною п-In підкладкою і n-InGaAs шарами) для створення зворотного зв’язку на фіксованій довжині хвилі, що визначається кроком дифракційної решітки. Це відповідає періодичній зміні показника переломлення моди.

DFB-лазер дуже чутливий до оптичного зворотного зв’язку, особливо від оптичних роз’ємних з’єднань, що служать інтерфейсами між лазером і ОВ основної лінії зв’язку. Навіть відносно невеликий зворотний зв’язок (рівнем менше, ніж 0,1%) може дестабілізувати лазер і вплинути на характеристики системи. Так, наприклад, якщо ширина лінії збільшується, те може відбутися стрибкоподібна зміна моди та збільшення шуму відносної інтенсивності (RIN) – шуму, генерованого DFB-лазером). Можна здійснити низку кроків, щоб зменшити інтенсивність зворотного зв’язку або послабити ефект від її впливу. Один з таких кроків – використовувати покриття, що не відбивають. Зворотний зв’язок можна також зменшити шляхом сколювання кінчика ОВ під невеликим кутом, так щоб відбите світло не потрапило на активну область такого лазера. Ще один, більш радикальний, крок полягає в тому, щоб встановити ізолятор між лазером і інтерфейсом оптичного роз’ємного з’єднання.

Важливим параметром DFB-лазера є коефіцієнт придушення моди (MSR). При проектуванні таких типів напівпровідникових лазерів основна мета складається в ослабленні побічних подовжніх мод і одержанні максимально можливої потужності домінантної моди. Можна очікувати значення MSR на рівні >30 дБ для DFB-лазера безперервного випромінювання. Наш інтерес тут у том, щоб передати світловий сигнал лазером з одиночною та вузькою спектральною лінією (тобто з домінантною модою). При ідеальних умовах від таких лазерів можна очікувати ширини смуги на рівні половинної потужності (FWHM) порядку 0,2 нм (порядку 25 ГГц). Якщо DFB-структура для поліпшення ширини лінії, генерованої лазером, комбінується зі структурою MQW (структура з множинними квантовими ямами), то ширина лінії може бути зменшена до сотень кГц. Якщо ж ширина лінії стає більше, то зростає хроматична дисперсія. Це найвищою мірою небажано для систем зі швидкостями передачі вище 1 Гбіт/с. DFB-лазери мають саму вузьку спектральну лінію випромінювання серед всіх відомих типів лазерів на ринку. Вони практично завжди використовуються в системах, що працюють з довгими та наддовгими прольотами секцій.

DFB-лазер – дуже дорогий пристрій, хоча й життєво важливе для ВОСП. Щоб бути впевненим в оптимальній роботі DFB-лазера та контролювати його параметри, можна додати кілька компонентів при його зборці. Ідеальна температура ІС–лазера дорівнює 25⁰С. Схема DFB-лазера представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Схема DFB-лазера.

DFB-лазери з зовнішнім модулятором. Дотепер розглядались оптичні джерела з безпосередньою модуляцією (модуляцією інтенсивності). При цьому передбачається що включається та виключається лазер, де включення відповідає двійковій «1», а вимикання двійковому «0». Фактично ж лазер ніколи не виключається повністю. Еквівалент такого вимикання – це точка на робочій характеристиці лазера, трохи вище порога (тобто при дуже малій вихідній потужності) або трохи нижче порога. Встановлення такого порога важливе для зменшення «чірпа» (лінійної частотної модуляції - ЛЧМ), що буде розглянутий нижче. Інший підхід у формуванні двійкових «1» і «0» – це використовувати оптичний модулятор. Основна мета використання модулятора складається в зменшенні розширення імпульсу, викликаного чірпом. Багато з цих модуляторів інтегровані з ІС того ж передавача, яким вони керують.

Лазер з вертикальною резонаторною порожниною та випромінюючою поверхнею (VCSEL). Для функціонування лазерів типу MLM (Фабри-Перо), SLM і DFB потрібно струм порядку декількох десятків мА. Крім того, його вихідний (розбіжний) промінь, поданий на стик із круглим ОВ, має в поперечному перерізі еліпс із коефіцієнтом стиску 3:1. Такий промінь погано стикується з циліндричною формою променя, який серцевина ОВ здатна прийняти. Нециліндричний промінь часто вимагає додаткової оптики, щоб зістикувати його з круглим поперечним перерізом серцевини ОВ. Лазер типу VCSEL випромінює досить максимально круговий промінь. Порівняння геометрії пучків цих 2-ох типів випромінювання можна провести на основі рис. 8.

Лазер типу VCSEL являє собою вертикальну структуру з низки шарів p-типу, активної області, і низхки шарів n-типу. Число шарів залежить від бажаної довжини хвилі випромінювання. Зазначені набори шарів охоплюють відбивачі Брега, що виготовляються з комбінації In+Ga+As+(Al або Р).

Необхідні шари виготовляються на основі планарної технології. Лазери типу VCSEL працюють в одномодовому (подовжня мода) режимі, використовуючи резонатор винятково малої довжини (порядку 1 мкм), для якого рознесення мод перевищує смугу частот підсилення. Вони випромінюють світло в напрямку перпендикулярному площини активного шару, аналогічно тому, як це робиться в СВД з випромінюючою поверхнею. Робота такого лазера в одномодовому режимі може бути реалізована шляхом зменшення діаметра VCSEL до 2-3 мкм. Вихідна потужність і ширина смуги лазерів типу VCSEL, як правило, нижче, ніж аналогічні показники DFB-лазерів, і VCSEL знаходить застосування як у ВОСП, так і в локальних мережах. Їхня вартість відносно низька в порівнянні з DFB-лазерами. Іншим застосуванням VCSEL є лазерні масиви, де кожен лазер працює на своїй довжині хвилі, що ідеально підходить для WDM-систем. Схема структури VCSEL-лазера приведена на рис. 9.

Рисунок 8. Порівняння еліптичного вихідного променя СВД і лазерів MLM, SLM і DFB із круговим вихідним променем лазера типу VCSEL.

Рисунок 9. Схема структури VCSEL-лазера.

Основні параметри промислових ЛД. Напівпровідникові ЛД, як правило, використовуються в якості джерел світла у високошвидкісних (>155 Мбіт/с) ВОСП. Вихідна потужність ЛД від більшості виробників складає порядку +3...10 дБм (1-10 мВт). ЛД із більшою потужністю (наприклад: +20 дБм) також почали з’являтися на ринку. Зараз досить поставити на виході лазерного джерела оптичний підсилювач, наприклад, типу EDFA, щоб збільшити його вихідну потужність до 500 мВт або вище. Однією з причин, що змушують виробників випускати лазери з більшою потужністю на виході, є широке використання систем DWDM, лінійні компоненти яких мають високі внесені втрати. Використання таких високих рівнів вихідної потужності разом з оптичними підсилювачами допомагає перебороти втрати в системах DWDM. Лазери, що працюють на таких великих рівнях потужності, принесли низку проблем, зокрема проблему впливу великої потужності на оптичні компоненти тракту передачі. Ізолятори, використовувані як універсальний пристрій зниження світлової енергії, відбитої убік такого лазерного джерела, мають поворотні втрати >80 дБ, що дозволяє ефективно знижувати відбиту потужність.

Лазери, що налаштовуються. Існують 3 основних вимоги до характеристик оптичних мереж DWDM, а саме: довжина прольоту, крок між каналами (наприклад: 100, 50 чи 25 ГГц) і швидкість передачі (наприклад: 2,5; 10 або 40 Гбіт/с). Різні додатки, що використовують комутацію та мультиплексори вводу/виводу, призводять до різних наборів вимог до характеристик. Ці вимоги залежать від вихідної потужності, часу та діапазону налаштовування. Всі ці параметри лазерів, що налаштовуються, приведені нижче. Чотири типи додатків найбільш характерні для лазерів, що набудовуються:

1. Оптичні мультиплексори вводу/виводу (OADM).

2. Регіональні оптичні мережі (MAN).

3. Довгі прольоти (секції), як частина оптичної мережі.

4. Ультрадовгі прольоти (секції).

Вибір технології лазерів, що налаштовуються, залежить від багатьох параметрів, серед них:

- вихідна потужність,

- ширина лінії випромінювання,

- діапазон налаштовування,

- шум відносної інтенсивності,

- час налаштовування,

- стабільність.

DFB-лазер, що налаштовується. DFB-лазери мають відносно просту структуру, що використовує внутрішні дифракційні ґрати для зміни робочої довжини хвилі. В ідеалі проектувальник може настроїти ці лазери на довжини хвиль, що відповідають сітці ITU-T. Довжина хвилі, чи частота, змінюється при зміні температури середовища. Це можна зробити шляхом зміни струму або шляхом використання температурно-контрольованого теплового стоку. Тепловий стік змінює коефіцієнт переломлення внутрішнього хвилеводу. Сучасні термоелектричні охолоджувачі можуть точно керувати температурою для генерації вузької смуги частот на виході.

Діапазон налаштовування DFB-лазерів обмежений приблизно 5 нм; і, у випадку зростання температури, ефективність DFB-лазера та вихідна потужність падають. Один зі шляхів розширити діапазон налаштовування – використовувати ансамбль таких пристроїв, інтегрованих в один масив (зазвичай 3 лазери на підкладці ІС, що зв’язана з єдиним виходом).

Лазер з розподіленим бреговським відбивачем (DBR) виготовляється з 2-ох або більше секцій та використовує принаймні, одну активну область (підсилювальну порожнину) і одну пасивну область, як показано на рис. 10. Пасивна область містить дифракційну решітку. Кожен кінець лазерної порожнини має поверхню, що відбиває. Довжина хвилі лазера налаштовується шляхом зміни пасивної області для того, щоб змінити показник переломлення. Розходження DFB-лазера і DBR-лазера в тому, що активна область і область, де знаходиться решітка, відділені одна від одгної від друга в DBR-лазері, тоді як у DFB-лазері ці області об’єднані.

Рисунок 10. Схема лазера з розподіленим бреговським відбивачем.

Діапазон налаштовування DBR-лазера дорівнює приблизно 40 нм, він налаштовується дуже швидко. Одним з його недоліків є те, що ця схема може бути обмежена струмом насичення. Іншим недоліком є труднощі керування довжиною оптичного шляху між 2-ма відбивачами на кінцях порожнини. В результаті, може виникнути нестабільність або розширення лінії.

DBR-лазери з обраними решітками (SG-DBR). SG-DBR-лазер є лазером, що налаштовується, який використовує відбивні дифракційні решітки на кожному кінці порожнини для створення гребінчастого спектра резонансної характеристики. З огляду на те, що решітки, обрані для фронту та тилу порожнини, мають трохи різні кроки нарізки, їхній гребінчасті спектри також мають трохи різні позиції модових піків. Змінюючи струм у секціях цих 2-ох решіток можна вирівняти дві гребінки таким чином, щоб одержати потрібну довжину хвилі. Для поліпшення стабільності моди та зменшення шуму, потрібно ще один контакт, який дозволяє підналаштовувати фазу. При цьому допускається існування цілого числа напівхвиль. Коли довжина хвилі міняється, то здається, що лазер «стрибає» з однієї хвилі на іншу. SG-DBR-лазери мають широкий діапазон налаштовування. Однак вони стають все більш складними та мають низьку вихідну потужність і широку спектральну лінію. Виробництво таких пристроїв дуже складне.

VCSEL-лазери мають кілька переваг при використанні в якості таких, що налаштовуються. Їхньої переваги: спектральна лінія випромінювання вузька, низьке споживання потужності. Вони можуть бути використані для безперервного налаштовування без перескакування мод. Їхній принциповий недолік – обмежена вихідна потужність. Потрібно помітити, що низька вихідна потужність – основна особливість цих лазерів, обумовлена конструкцією. Завдяки цьому обмеженню можна підтримувати одну просторову моду в якості робочої, використовуючи дуже невелику активну область.

Лазери з зовнішньою резонаторною порожниною (ECL-лазери) мають характерну відповідну назві конструкцію. Використовуючи зовнішню резонаторну порожнину, можна здійснювати налаштовування довжини хвилі лазера механічно за рахунок налаштовування самої порожнини. Інші можливості такі ж, як в інших типах лазерів – за рахунок зміни струму або температури напівпровідникового матеріалу.

Таблиця 2

Порівняльні характеристики лазерів, що набудовуються.

Тип лазера	Переваги	Недоліки	Застосування
З розподіленим зворотним зв’язком (DFB)	стабільність випромінювання; у процесі виробництва	відносно низька вихідна потужність1); обмежений діапазон настроювання	для вузького діапазону настроювання; широко використовується в довгих секціях
З розподіленим бреговським відбивачем (DBR)	висока швидкість переключення2)	велика ширина лінії; нестабільність довжини хвилі	мережі доступу; ОМ введення-висновку
Типу (DBR) з обраними ґратами	широкий діапазон настроювання; висока швидкість переключення2)	низька вихідна потужність; велика ширина лінії; відсутність безупинного настроювання	мережі доступу; регіональні мережі; ОМ уведення/висновку
З вертикальною порожниною і випромінюючою поверхнею (VCSEL)	мала ширина лини; низьке споживання; круговий промінь; широкий діапазон настроювання	низька вихідна потужність; обмежена короткохвильовими діапазонами 850/1310 нм	регіональні мережі і мережі доступу
З зовнішніми резонансними мікропорожнинами	висока потужність; мала ширина лінії; низький рівень RIN; безперервність і широкий діапазон настроювання	швидкість настроювання чуттєва до ударів і вібрацій	довгі й ультрадовгі секції; OADM для регіональних мереж; мережі з комутацією

¹⁾ DFB-лазер з фіксованою довжиною хвилі має >20 мВт вихідної потужності, а DFB-лазери, що набудовуються, мають обмежену потужність.

²⁾ Коли не потрібна термостабілізація. При використанні термостабілізації типовий час настроювання складає >25 мс.

На рис. 11 приведена схема ECL-лазера на основі дифракційних решіток, побудованого з використанням конфігурації порожнини, запропонованої Літманом-Меткалфом (Littman-Metcalf). Такий лазер фактично повторює схему ЛД із резонатором Фабри-Перо. Лазер складається з окремо виготовлених підсилювального середовища та зовнішнього резонатору. Сам же резонатор зібраний з окремо виготовлених оптичних вузлів, таких як дифракційні решітки та дзеркало, що інтегруються на визначеному кроці зборки. Для налаштовування досить прикласти напругу до приводу MEMS (мікроелектромеханічної системи), що обертає дзеркало так, щоб лазерний діод захопив визначену дифрагуючу хвилю. Фактична довжина хвилі на виході лазера визначається сукупністю факторів: смуги посилення діода, дисперсією дифракційної решітки та структурою мод зовнішнього резонатора.

ECL-лазери мають можливість безперевного налаштовування в необхідному діапазоні та демонструють вузьку смугу спектральної лінії, з малим шумом і високою стабільністю. В них не спостерігаються «стрибки» мод, як це відбувається, наприклад, у DBR-лазерів. Вони також мають відносно високий рівень вихідної потужності. Їхній недолік – великі розміри та вартість. Вони не чутливі до ударів і інших впливів навколишнього середовища. Використання технології MEMS усунуло багато недоліків. Наприклад, використання MEMS при конструюванні оптичних елементів, які стали уміщатися на стандартній карті (платі) передавача, зробило ціну ЕСL-лазерів більш привабливою. У табл. 2. проведено порівняння 5-ти типів лазерів, що налаштовуються, з огляду на їхні переваги та недоліки.

Рисунок 11. Лазер, що набудовується, із зовнішнім резонатором (обертання дзеркала на приводі MEMS поєднується з підсилювальним середовищем лазерної ІС і дифракційними ґратами з метою піймати єдину довжину хвилі, спрямовану назад до лазерного ІС - ця схема і формує лазер, що набудовується, із зовнішнім резонатором).

Дата добавления: 2014-01-07