Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики

 

Рисунок 9. Конструкция лазера РОС

При этом волна, распространяющаяся вправо, ослабевает в направлении к левому краю, т.к. её энергия перекачивается в волну противоположного направления, интенсивность которой возрастает при сложении отраженных волн в фазе. Т.о. электромагнитное поле в резонаторе РОС можно представить в виде двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Внутри резонатора могут сохраниться только волны, отражающиеся от гофра под углом Q+ p/2. Это обусловлено селективностью обратной связи, для которой длину волны настройки на отражение в резонаторе вычисляют через условие Брэгга – Вульфа

 
Λ×n_э×(1+SinQ) = I×λ₀, (1.19)

 
где L- период гофра, n_Э – эффективный фазовый показатель преломления, l – целое число, l₀ – длина волны излучения в свободном пространстве. Для Q = p/2 шаг гофра может быть определен:

 

 (1.20)

 
при этом, как правило, значение l = 1. 
Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало. 
Длина волны, обозначенная в (1.20) l, называется длиной волны Брэгга. Ей соответствует частота генерации

 

 (1.21)

 
где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном пространстве. 
Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС является спектр излучения (рисунок 10)

 

 
Рисунок 10. Спектр излучения лазера РОС

Обычно ширина спектра  излучения лазера РОС оценивается на уровне –20 дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ. 
Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий. 
Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рисунок 11), в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.

 

 
Рисунок 11. Конструкция лазера РБО

Характеристики  некоторых видов одномодовых и многомодовых полупроводниковых лазеров приведены в таблице 1.1 .

Таблица 1.1 Характеристики полупроводниковых лазеров

Изделие	Длина волны, нм	Мощность, мВт	Ток накачки, мА	Ширина спектра, нм	Примечание
ИЛПН-206-М	1270-1330	1-2	40-80	3-10
ИЛПН-206-2	1270-1330	1.5-2.5	30-80	5
ИЛПН-234-А	1500-1600	3.0	30-85	0.1	Угловая расходимость 1.3 град
ИЛПН-234-Б	1500-1600	4.0	45-100	0.1	Угловая расходимость 1.3 град

Для получения высокой  стабильности излучения лазеров  разработаны также лазеры с вертикальными  резонаторами ЛВР (рисунок 12.), обозначаемые VCSEL (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). В этих лазерах генерация оптического излучения происходит поперек p-n перехода. Преимущество короткого высококачественного резонатора ЛВР заключается в генерации моды узкого спектра высокой стабильности. Такие лазеры могут формироваться группами на одной подложке микросхемы. При этом стабилизация параметров производится сразу для всего лазерного массива. Слои отражателя выполнены из набора четвертьволновых пластин, фильтрующих моду излучения. Они формируют структуру распределенного брэгговского отражателя DBR. Слои изолятора уменьшают спонтанную эмиссию фотонов.

 

 
Рисунок 12. Конструкция лазера ЛВР 

 

 Классы  лазерных устройств для систем оптической связи

Максимальное лазерное излучение зависит от типа используемого  лазерного диода. Международный  стандарт IEC 825 определяет максимальный уровень лазерного излучения  для каждого лазерного класса в соответствии с длиной волны (в  классы входят лазерные диоды и оптические усилители).

 
Таблица 1.2 Классы лазерных устройств по международному стандарту IEC 825

Класс лазера	Длина волны излучения, нм	Максимальная мощность лазерного излучения, мВт
1	1300	8.85
	1550	10
3А	1300	31
	1550	50
к×3А	1300	81
	1550	50
3В	1300	500
	1550	500

 

 

4. Основные характеристики и параметры

 
Пороговая плотность тока существенно зависит от температуры инжекционного лазера: для лазеров на основе арсенида галлия пороговая плотность тока порядка 10² А/см² при Т =4,2 К и порядка 10⁴ А/см² при 77 К. Таким образом, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера. Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов, имеющие значительно меньшие пороговые плотности токов, могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме 
 
^ Спектральная характеристика лазера, как и любого другого источника света, представляет собой зависимость интенсивности излучения (чаще в относительных единицах) от длины волны  
 
При малых токах (меньше порогового) излучение, возникающее в основном из-за самопроизвольной рекомбинации, является некогерентным. Поэтому спектральная характеристика получается широкой, т. е. лазер работает как светоизлучающий диод. При больших токах (больше порогового) интенсивность излучения значительно больше, так как излучение получается когерентным и строго направленным. 
 
^ Диаграмма направленности излучения лазера характеризует пространственное распределение интенсивности излучения, излучение полупроводниковых лазеров обладает достаточно малым (не превышающим нескольких градусов) углом расходимости светового пучка. Но по этому параметру полупроводниковые лазеры значительно уступают газовым и твердотельным диэлектрическим лазерам, что связано с малыми размерами кристалла полупроводника и особенно с малыми размерами активной области, где происходит вынужденная рекомбинация. 
 
^ Коэффициент полезного действия полупроводникового инжекционного лазера на основе арсенида галлия достигает 70%, в то время как значение внутреннего квантового выхода, возможно, достигает 100%, т. е. каждый инжектированный электрон при рекомбинации с дыркой создает фотон. По КПД полупроводниковые инжекционные лазеры превосходят газовые и твердотельные диэлектрические лазеры, у которых он равен соответственно тысячным и сотым долям процента. 
 
^ Яркостная характеристика лазера, т. е. зависимость интенсивности излучения от проходящего через лазер тока, представляет собой почти линейные зависимости в диапазоне токов, соответствующих преобладанию самопроизвольной рекомбинации (режим работы свето-излучающего диода) и преобладанию вынужденной рекомбинации (режим работы лазера). 
 
Одной из перспективных областей применения полупроводниковых лазеров является система оптической связи и обработки информации. Для применения в волоконно-оптических линиях связи разрабатываются полупроводниковые лазеры специальной конструкции для эффективного согласования лазера с волоконной линией. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. – К.: 1988.

2. Грибковский В.П. Полупроводниковые лазеры. – Мн.: 1988.

3. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. – М.: 1984.

4. Г. Измерение лазерных параметров: Пер. с англ. – М.: 1980.

5. Федоров Б. Ф. Лазеры. Основы  устройства и применения. М.: ДОСААФ  СССР, 1988.

6. КрыловК. И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники. Машиностроение 1990.

7. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая  школа, 1985.