книги / Многоканальные системы передачи оптического диапазона

обладают следующими преимуществами: возможен конт­ роль толщины активного слоя, который обеспечивает оптимизацию величины излучения; возможен контроль молекулярного индекса у в излучающем слое AI^Gai-yAs, оказывающего влияние на длину волны излучения; воз­ можен контроль молекулярного индекса х в слое Al^Gai-jAs, окружающего переход для уменьшения по­ терь между излучающей областью и оптическим во­ локном.

В табл. 2.1 приведены характеристики электролюминесцентных диодов малой площади диаметром 50 мкм.

				Таблица 2.1
			Диоды
		с одинарной гс-	диффузионные	с двойной гете-
		тсроструктурой		роструктурой
Плотность тока, А/см2		10 000	15 000	7500
Входной ток для достижения		250-350	400—500	225—250
теплового насыщения, А		5 5 -7 5	3 0 -4 0	60-100
Энергетическая яркость,
Вт/ (ср • см2)
Выходная мощность на конце		0,9— 1.1	0,5 -0,7	1,0— 1.7
волокна длиной 30 см, мВт		8— 11	4—&	10-12
Время	нарастания переднего
фронта,	нс

Длина волны светового излучения для диодов С ДВОЙНОЙ гетероструктурой примерно 0,8 мкм, для диффузионных и диодов с одинарной гетероструктурой около 0,9 мкм.

Из табл. 2.1 видно, что диоды с двойной гетеро­ структурой, кроме ранее отмеченных преимуществ, имеют большую эффективность, определяемую отношением вы­ ходной мощности излучения к потребляемой электрической мощности, и большую выходную мощность излучения. Ширина полосы излучения СИД с двойной гетерострук­ турой по уровню половинной мощности составляет от 0,03 до 0,1 мкм, быстродействие— 10—12 нс, однако быстро­ действие диодов с двойной гетероструктурой несколько меньше, чем диффузионных диодов с одинарной гетеро­ структурой. Для диодов с двойной гетероструктурой более остро стоит и проблема отвода теплоты от перехода.

При использовании электролюминесцентных свето­ диодов на GaAs в волоконно-оптических системах связи

4. АЛИШЕВ Я. В. 7187.

41

необходимо учесть, что амплитудно-модулированная интенсивность излучения светодиода уменьшается обратно пропорционально частоте модуляции: со ^ 1 /тр (т р — ре­ комбинационное время жизни носителей). Зависимость интенсивности излучения от частоты определяется вы­ ражением

/ = /о /V H - O^ ,

где /•— интенсивность излучения при действии постоян­ ного тока.

При исследовании диффузионных ZnGaAs электролюминесцентных диодов получены экспериментальные результаты этой зависимости. Зная ход кривой зависи­ мости /=f((i)), можно определить рекомбинационное вре­ мя жизни носителей.

Отметим, что подобная зависимость интенсивности излучения от частоты была получена в предположении, что диффузионная длина носителей меньше, чем толщина слоя, в котором протекает рекомбинационный процесс. Для диодов с двойной гетероструктурой, в которых распростра­ нение носителей ограничено, это предположение необхо­ димо .исключить, и частотная характеристика диодов с двойной 'гетероструктурой будет иметь несколько Другой вид.

Поскольку кварцевое волокно имеет минимальные по­ тери в диапазоне 1,0—1,5 мкм, представляют интерес светодиоды на основе ZnxGai_xAs, работающие в этом диапазоне.

Телесный угол конуса лучей СИД сравнительно велик. Это создает определенные трудности для эффективной связи между ними и оптическими волокнами, имеющими малый диаметр. Решение этой задачи упрощается при использовании светодиодов, генерирующих одновременно спонтанное и стимулированное излучение, спектр которого уже, а энергетическая яркость выше. Такими источниками являются суперлюминесцентные диоды, излучающие через боковую грань; их излучение в направлении, перпенди­ кулярном к плоскости перехода, уже, чем излучение в рас­ смотренных нами электролюминесцентных диодах.

Структура этого диода аналогична полосковой двойной гетероструктуре инжекционного лазера, разница лишь в том, что для подавления оптической обратной связи убирается одно из зеркал, а обратные волны поглощаются

42

в резонаторе, что приводит только к однопроходному усилению излучения. В отличие от лазеров, имеющих тенденцию к многомодовой генерации при больших токах, суперлюминесцентные диоды лучше генерируют моды низ­ кого порядка при большой выходной мощности.

Суперлюминесцентный диод имеет значительное уве­ личение квантовой эффективности по сравнению со струк­ турами, используемыми ранее. Выходная мощность излу­ чения составляет 2 мВт при токе 250 мА и длине волны

Х = 0,8		мкм.	Известны суперлюминесцентные диоды,
характеризующиеся				большой	излучаемой мощностью
(до	50	мВт),	узкой	полосой	спектра излучения (до
5-	10-3 мкм), полосой модуляции порядка сотен мегагерц,

коэффициентом ввода в волокно более 50 % и КПД, при­ мерно равным 1 %.

2.4.Полупроводниковые лазеры

Одним из перспективных источников излучения для волоконно-оптических линий связи являются ‘полупро­ водниковые лазеры (ППЛ). Основными достоинствами их являются компактность, малые масса и габариты, механическая прочность, простота методов накачки и вы­ сокоскоростной прямой модуляции, большой КПД (50— 80 %) и хорошее согласование с оптическим волокном. В ППЛ электрическая энергия постоянного тока непо­ средственно преобразуется в когерентное световое излу­ чение. Благодаря этому они более эффективны. За фунда­ ментальные исследования и разработки ППЛ большая группа советских учёных во главе с академиком Б. М. Вулом в 1964 г. была удостоена Ленинской премии.

Известны несколько способов создания инверсной населенности в ППЛ. Наиболее широко распространен способ инжекции электронов и дырок через р—л-переход. В таком лазере поток электронов двигается через переход от материала я-типа к материалу р-типа.

ППЛ создаются на основе легированных р- и я-полу- проводнйков, в которых разрешенные энергетические со­ стояния свободных носителей (электронов в полупровод­ нике я-типа и дырок в полупроводнике p-типа) представ­ ляются волновыми функциями, определяемыми по всему пространству микросистемы. Это приводит к большой степени перекрытия собственных функций ф(х, t), т. е.

43

к образованию энергетических зон (валентной зоны, зоны проводимости и запретной зоны), занимающих значитель­ ные энергетические интервалы.

Равновесие в распределении электронов и дырок на­ рушается при приложении к переходу напряжения в прямом направлении. В кристаллах полупроводника р- и л-типов на границе раздела возникает большой градиент концентрации электронов и дырок. Вследствие этого элек­ троны, находящиеся в зоне возбужденных состояний п- области, начнут переходить из этой области на более низкие, «заполненные» дырками, уровни в р-области (такое движение электронов можно представить так же, как движение дырок из p-области в /г-область).

По мере диффузии электронов в p-область в этой обла­ сти поблизости от р—/г-перехода образуется отрицатель­ ный объемный заряд. Аналогичный положительный объемный заряд образуется в /г-области. Образование объемных зарядов приводит к возникновению так назы­ ваемого потенциального барьера, препятствующего даль­ нейшей диффузии носителей. Несмотря на наличие объем­ ных зарядов, в целом полупроводник остается нейтраль­ ным и находится в состоянии электрического равновесия. Обязательным условием такого равновесия является ра­ венство уровней Ферми для обеих областей полупро­ водника.

Если к области отрицательного объемного заряда (p-области) приложить положительный потенциал, ве­ личина потенциального барьера понизится на величину приложенного напряжения и может стать равной нулю при некотором значении напряжения. В этом случае соз­ даются условия для свободного перемещения электронов проводимости из п-области в p-область, где они могут рекомбинировать с дырками, испуская при этом электро­ магнитное излучение.

Таким образом, при приложении к переходу напря­ жения в прямом направлении высота потенциального барьера понижается, электроны и дырки вливаются в смежные р- и /г-области, где рекомбинируют друг с другом, и в узкой области р—/г-перехода шириной в несколько микрометров возникает электромагнитное излучение.

Процесс рекомбинации протекает очень быстро (10-п — 10-12 с). Поэтому для поддержания инверсной заселенности необходимо непрерывно компенсировать убывание неравновесных носителей путем введения (ин­ жекции) электронов в /г-область. Такое перемещение носи­

телей осуществляется за счет внешнего источника тока (источника накачки). Поэтому ППЛ получили название инжекционных лазеров. Длительность токового импульса накачки определяет длительность свечения р—«-перехода.

Впервые полупроводниковые лазеры были созданы на р—«-переходе в арсениде галлия. При комнатной тем­ пературе лазер работал в импульсном режиме излучения: т.ймп=50 нс, Р||МП= 2 0 Вт. Трудности с обеспечением необходимого теплоотвода сильно ограничивают воз­ можности создания полупроводниковых лазеров для ра­ боты при комнатной температуре в непрерывом режиме. Дело в том, что плотность тока накачки должна быть дог статочно высокой. Эта плотность исчисляется сотнями и тысячами ампер на квадратный сантиметр и зависит от температуры. Ширина спектра излучения также зависит от величины тока, проходящего через лазерный диод.

Инжекционные лазеры на р—«-переходе обладают следующими достоинствами: компактностью (малыми га­ баритами и массой); простотой источника накачки (кри­ сталл полупроводника имеет низкое сопротивление — сотые доли ома — в прямом направлении, поэтому для накачки можно использовать низковольтные (1—2 В) источники); высоким КПД (50—80 %); простотой моду­ ляции (изменением питающего тока). К недостаткам от­ носится следующее: сравнительно широкий диапазон раз­ броса значений КПД (от нескольких единиц до десятков процентов); широкий спектр излучения (порядка 5—10-3 мкм); сравнительно большой угол расходимости луча (1—10°); незначительная мощность.

Перспективными являются инжекционные лазеры на двойных гетероструктурах, состоящих из слоев Al.vCai_.vAs (с различным значением х), выращенных эпитаксией из жидкой фазы. С помощью пятислойных структур, в ко­ торых области локализации носителей и света разделены, удалось уменьшить пороговые плотности тока до 700 А/см* для импульсного режима работы при комнатной темпе­ ратуре, причем это значение не является предельным. Уже созданы высокоэффективные ППЛ, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. Совпа­ дение диапазона излучаемых волн этих ППЛ с диапазоном минимальных потерь оптического стекловолокна делает их наиболее перспективными для оптической связи.

Возможность управления	длиной волны излучения
в ППЛ открывает пути для	передачи многоканальной

45

информации по одному волокну путем частотного уплот­

нения.

В отличие от светодиодов мощность, передаваемая

всветоволокно от инжекционного лазера, принципиально неограниченна. Высокоэффективная передача мощности

вмногомодовое волокно может быть осуществлена сбли­ жением торца волокна и выходного торца лазера или при использовании волокна со сферическим концом.

Время излучательной рекомбинации носителей, равное примерно 1 нс для GaAs и несколько наносекунд для AljcGai-xAs, уменьшается в режиме вынужденного излу­ чения. Поэтому моАно легко осуществить модуляцию инжекционных лазеров с высокой частотой непосредствен­ ным изменением тока инжекции.

Серьезная проблема — повышение срока службы ин­ жекционных лазеров. В ряде книг сообщается о разра­ ботке лазеров со сроком службы 2000 ч и перспективах его дальнейшего увеличения.

При накачке, обеспечивающей выходную мощность до десятков милливатт, полосковые лазеры с двойной гетеро­ структурой, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, как правило, генерируют несколь­ ко поперечных и продольных мод (типов колебаний), занимающих спектральный интервал порядка Ю-4 мкм. Тем не менее уже наблюдался стабильный одномодовый

одночастотный выход (мощность' 10	мВт) на	лазерах
с относительно большим (до 10 000	ч) сроком	службы.

Вместе-с тем для этих лазеров характерны случаи ката­ строфической деградации, приводящие к повышению по­ рога генерации, снижению квантовой эффективности и прекращению непрерывности излучения. Деградация вызывается кристаллическими дефектами в виде темных пятен, проникающих в активную область, а также де­ фектами в виде безызлучательных темных линий. Эти кри­ сталлические дефекты, образуя неизлучающие зоны, снижают коэффициент усиления, увеличивают потери и повышают скорость рекомбинации, что приводит к кон­ центрации тока в неизлучающих зонах, снижению плотности тока в других зонах и деградации ППЛ.

Для предотвращения деградации необходимо выбирать бездефектные кристаллы. Снижение дефектов достигается добавками в активную область небольших количеств алюминия, а также при выращивании кристаллов. Эти меры позволяют повысить срок службы полупроводни­ ковых лазеров с двойной гетероструктурой до 10 000 ч

46

и более. Кроме того, добавление алюминия приближает длину волны излучения лазера к зоне минимальных потерь оптического волокна 0,81—0,85 мкм.

Таким образом, инжекционные лазеры с двойной ге­ тероструктурой можно характеризовать следующими параметрами: излучаемая мощность в многомодовом ре­ жиме — до 50 мВт, в одномодовом — до 10 мВт; КПД — 10%, полоса модуляции — порядка 103 МГц; коэффи­ циент ввода излучения в волокно — примерно 50% . В любом случае спектральная ширина достаточно узка, чтобы не учитывать дисперсию материала волокна при передаче на большие расстояния.

Увеличения мощности ППЛ при комнатной темпера­ туре можно достичь, соединяя лазерные диоды в решетку.

В одном	из экспериментов 12 диодов соединялись друг
с другом	через теплопоглотители толщиной около 25 мкм.

Высота решетки составила 1 мм, при этом р—я-переходы диодов следуют через 75 мкм. Такое устройство позволило получить пиковую мощность 1 кВт при частоте повторения импульсов 1,2 кГц и длительности импульсов 30 нс. В дан­ ной конструкции решетка соединялась со сферическим зеркалом, дающим изображение задних граней диодов, т. е. используется суммарная мощность при двустороннем излучении в одном направлении.

Одна из важнейших характеристик ППЛ — попереч­ ные моды излучения, определяющие эффективность согласования их с оптическим волокном.

Поперечные моды излучения лазеров с двойной гете­ роструктурой возникают в направлении, перпендикуляр­ ном к плоскости перехода. Образующийся в этом же направлении диэлектрический волновод создает ограниче­ ние излучения, благодаря чему наряду с ограничением растекания носителей снижается порог излучения лазера, становится возможным режим непрерывной работы при комнатной температуре, но, с другой сто,роны, увеличи­ вается угол расходимости излучения. Обычно для А1,Са,_*Аз-лазеров с двойной гетероструктурой толщина активной области выбирается не более 0,5 мкм, угол расходимости излучения в вертикальном направлении в этом случае равен 60°. Поскольку угол восприятия света оптическим волокном составляет всего 10—20°, очень трудно добиться эффективного согласования с лучом лазера, имеющим такой большой угол расходимости.

Существуют различные способы уменьшения угла рас­ ходимости излучения. Создание раздельных областей

47

рекомбинации носителей и распространения света позво­ лит добиться снижения вертикального угла расходимости излучения до 15°. Аналогичного эффекта можно добиться за счет создания асимметричной конструкции, изменением количества алюминия по обе стороны от активной обла­ сти и т. п.

Промышленных типов ППЛ в настоящее время доста­ точно много, и перспективы их использования в системах передачи информации с улучшением эксплуатационных параметров лазеров можно считать обнадеживающими. Важную роль играют разработки ППЛ на диапазон 1,1— 1,5 мкм. Для оптической дальней связи их можно рекомен­ довать благодаря приближению к зоне минимальных потерь оптического волокна и чрезвычайно малой диспер­ сии материала.

2.5.Лазеры на алюмоиттриевом гранате

Инверсное состояние в лазерах на алюмоиттриевом гранате (АИГ) осуществляется по четырехуровневой схеме, что снижает пороговый уровень накачки по сравне­ нию с трехуровневыми системами. Это объясняется тем, что используется инверсия на третьем энергетическом уровне относительно второго, а не основного, на котором всегда настолько большое количество частиц, что достичь инверсии относительно него часто затруднительно. Источ­ ники оптического излучения, работающие по четырехуровневой схеме, практически не требуют и охлаждения (например, лазеры на кристаллах АИГ).

Лазеры, использующие в качестве активной среды алюмоиттриевый гранат с присадкой неодима, имеют ряд достоинств, способствующих их применению в волоконнооптических системах передачи информации: длина волны излучения этих лазеров равна 1,06 мкм и совпадает с областью малых потерь в кварцевом волокне; по­ скольку основным механизмом потерь в стекле является рэлеевское рассеяние (меняющееся по закону X-4 ), на длине волны излучения АИГ лазера (Я = 1,06 мкм) по­ тери на рэлеевское рассеяние меньше, чем для инжекционных лазеров (Я= 0,8—0,9 мкм); полоса излучения АИГ лазера уже, чем инжекционных лазеров, поэтому и диспер­ сия сигнала за счет материала волокна меньше, т. е. допустима более высокая скорость передачи информации; получить одномодовое одночастотное излучение в них

48

сравнительно легко; при использовании для накачки светодиодов длительный срок службы.

Маломощные (несколько милливатт) АИГ лазеры имеют малые габариты (длина 1—2 см, диаметр 1—5 мм), накачка осуществляется светодиодом на основе GaAsP или AlGaAs. Из зарубежных сообщений известно о ми­ ниатюрном АИГ лазере, стержень которого (5X0,45 мм) накачивался с торца светодиода на основе GaAsP. Выход излучения — из противоположного торца. Ожидается, что такие лазеры обеспечат выходную мощность несколько милливатт на одночастотной ТЕМоо-моде.

Перспективность использования светодиодов для воз­ буждения неодимовых лазеров на гранате объясняется тем, что светодиоды имеют малые габариты и массу,

высокий КПД преобразования	электрической энергии
в световую, кроме того, спектр	излучения светодиодов

на основе GaAsP очень хорошо согласуется со спектром поглощения неодима в гранате, соответствующим засе­ лению верхнего энергетического уровня. Поэтому приме­ нение этих светодиодов позволит создать малогабарит­ ный лазер без охлаждения.

Излучение АИГ лазера (в отличие от ППЛ) не может быть непосредственно модулировано управлением током накачки или потерями разонатора. Это обусловлено тем, что время флуоресценции верхнего лазерного уровня составляет примерно 230 мкс. Поэтому весьма трудно осуществить непосредственную модуляцию с частотами порядка мегагерц, даже с учетом уменьшения времени жизни в процессе вынужденного излучения. По этой при­ чине здесь требуется использование внешних оптических модуляторов. Таким образом, эти лазеры можно характе­ ризовать следующими параметрами: мощность излучения в одномодовом режиме — единицы милливатт, в много­ модовом — до 10 мВт; в волокна можно ввести практи­ чески всю мощность излучения; КПД их мал (до 1 %).

2.6.Требования к источникам оптического излучения

при использовании их в системах космической связи и волоконно-оптических линиях связи

При использовании систем оптической связи в условиях космоса к источникам излучения предъявляются следую­ щие основные требования: достаточная мощность излуче­ ния в непрерывном режиме при малых габаритах и массе как источников излучения, так и источников накачки,

49

а также излучающих устройств (оптических антенн); возможность использования для накачки как автономных источников, так и солнечного излучения; максимальный КПД (отсюда требование минимального потребления энергии и минимального выделения теплоты, что облег­ чает охлаждение лазера); механическая прочность, вибро­ устойчивость; высокая надежность и достаточно большой ресурс безотказной работы (общее время безотказной работы на орбите должно быть не менее нескольких лет, что требует обеспечения длительности рабочего времени порядка 104—105 ч); высокая монохроматич­ ность и когерентность излучения (для улучшения парал­ лельной направленности (коллимации) луча и обеспече­ ния высокой помехоустойчивости канала связи).

Увеличение мощности источников излучения при использовании их в условиях космоса должно компенси­ ровать ослабление излучения на трассе и обеспечить требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника. Достоверных данных об ослаблении излучения в косми­ ческом пространстве пока нет. Основное влияние на ослабление, по-видимому, оказывают частицы межпла­ нетной и межзвездной пыли, а также метеоритов, ко­ торые, ударяясь об оптические элементы, ухудшают их качество (отражающее и пропускающее свойства опти­ ческой поверхности).

Для лазеров, работающих в условиях космоса, важ­ ное значение приобретает солнечная накачка. Разработа­ ны такие лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом.

Вопросы надежности и долговечности источников оптического излучения еще ждут решения. Считают, что надежность газовых лазеров соответствует надеж­ ности газоразрядных приборов, ППЛ — надежности дру­ гих полупроводниковых приборов. Для повышения надеж­ ности ППЛ необходимо довести до совершенства тех­ нологию выращивания кристаллов и улучшить технику отвода теплоты. Кроме того, для предотвращения раз­ рушений поверхности кристалла рекомендуются нане­ сение защитных пленок и герметизация. Срок службы лазеров, используемых в системах оптической связи,— важнейший фактор, определяющий надежность систем в целом. Поэтому необходимы серьезные разработки, на­ правленные на повышение надежности.

Рабочая температура нередко является ограничиваю­ щим фактором при использовании лазеров на летатель­ ных аппаратах. Как правило, устройства охлаждения

50