 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Что же происходит внутри резонатора?
В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.
Рисунок 3.11 – Ватт-амперная характеристика лазера При малых токах накачки (рисунок 3.11) меньше половины атомов активного слоя находится в возбуждённом состоянии, поэтому количество вынужденных фотонов мало, лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как слабоэффективный светодиод. При увеличении тока накачки возрастает инверсная населённость и при N2>N1 происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым(рисунок 3.9). После порогового тока резко нарастает мощность излучения и его когерентность. Такой режим работы называется лазерной генерацией При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. На рисунке 3.8 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы резонатора. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. Лазерная генерация возникает только при определённой длине L резонатора, кратной целому числу полуволн L = m
Рисунок 3.12 – Спектр многомодового лазера Лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра излучения, чем СИД. Лазер Фабри-Перо называют многомодовым, т.к. в его спектре излучения (рисунок 3.12) наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы (моды). Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн в резонаторе: L = m Для ППЛ Фабри-Перо величина угла расходимости составляет: φx =5-10 град., и φy =15-30 град. Величина порогового тока ППЛ Фабри-Перо сильно зависит от температуры тела лазера. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает (рисунок 3.13). Если ток накачки остаётся прежним, то выходная мощность уменьшается. Для восстановления прежней величины излучаемой мощности необходимо увеличивать ток накачки. А сильное увеличение тока накачки может привести к разрушению активного слоя ППЛ, что приводит к необходимости применения схем термостабилизации параметров лазера.
Рисунок 3.13–Зависимость порогового тока ППЛ Фабри-Перо от температуры
ППЛ Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9, является гомолазером, так как состоит из одного вида полупроводников (AsGa). Этот ППЛ имеет большой ток накачки, необходимый для генерации и сильную зависимость тока накачки от температуры тела кристалла. Для преодоления недостатков гомолазеров Фабри-Перо разработаны различные конструкции гетеролазеров. В 1967 г. Жорес Алферов создал первые полупроводниковые гетеролазеры Фабри-Перо, имеющие гетеропереходы, подобно торцевому СИД (Рисунок 3.18). Для их работы требуется меньший ток накачки при той же выходной мощности. Недостатком лазеров Фабри-Перо является то, что они многомодовые. Такие лазеры имеют далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуются очень высокая скорость передачи и дальность связи, они, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения критерия “цена – эффективность”. Одномодовые лазеры Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения. В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр: 1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры),(DFB – Distributed Feedback); 2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер),(DBR – Distributed Bragg Reflector); В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).
Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой n
Рисунок 3.15 – РБО-лазер
Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область. Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн. Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM). Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.
Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера
Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.
Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».
Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо
В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со с
Поиск по сайту: |
/2, где m = 1, 2, 3…- число полуволн. При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волн и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т. е. в резонаторе образуется стоячая волна.
/2. В резонаторе Фабри-Перо это условие выполняется не только для главной моды, но и для побочных мод. Ширина спектра многомодового лазера и СИД определяется на уровне минус 3дБ от максимальной мощности (P макс/2). Широкий спектр лазерных мод приводит к появлению хроматической дисперсии в ОВ.
InP и слоем p 
/ d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн 
ветоводом; уменьшается рабочий ток лазера.