7.3. Новое поколение лазеров для оптических линий связи

7.3.1. Инжекционные лазеры на квантовых точках

Поскольку в оптоэлектронных устройствах передача информационных сигналов до настоящего времени осуществляется в основном посредством лазеров с длиной волны 1,55 мкм, то основное внимание уделялось полупроводниковым лазерам на гетеропереходах, излучающих именно в указанном диапазоне. Хорошо развитая технология полупроводниковых лазеров на спектральную область 1,55 мкм основана на применении InGaAsP или InGaAlAs гетероструктур, соделжащих квантовые ямы и сформированных на подложках InP.

В связи с необходимостью расширения спектрального диапазона передаваемых сигналов возросла потребность в активном освоении второго окна оптической прозрачности в диапазоне длин волн 1,25 - 1,35 мкм. Более того, этот диапазон характеризуется практически нулевой дисперсией групповой скорости (рис. 5.9), что позволяет повысить частоту тактовых сигналов и расширить полосу пропускания волоконных световодов до 10⁴ Гц.

Для диапазона длин волн 1,2 - 1,35 мкм уже разработаны инжекционные лазеры с использованием массивов квантовых точек, самоорганизующихся в слоях InAs, разделенных неактивными слоями GaAs [6]. Массив самоорганизующихся квантовых точек формировался при эпитаксиальном осаждении тонкого слоя InAs на подложку GaAs. Управление длиной волны излучения достигается путем изменения толщины осажденного слоя InAs. Создавая таким путем различную толщину активных слоев, можно сформировать необходимый массив квантовых точек, с помощью которого излучение будет происходить в более широком диапазоне частот по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Достигнутая ширина спектра генерации достигает 70 - 80 нм в случае наличия уже трех слоев квантовых точек.

Другим достоинством лазеров на квантовых точках является более низкая пороговая плотность тока накачки по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Понижение плотности тока накачки вызвано заменой обычной плотности состояний носителей заряда, характерной для лазеров с квантовыми ямами, на поверхностную плотность массива квантовых точек порядка 10¹⁰ см^-2. Пороговая плотность тока накачки может быть уменьшена до нескольких ампер на см^-2.

7.3.2. Волоконные лазеры

Волоконные лазеры основаны на использовании в качестве активных сред и объемных резонаторов отрезков волоконных световодов, в которых активной средой является стекло, легированное ионами эрбия или висмута. По сравнению с традиционными лазерами на объемных элементах они более компактны, надежны и имеют высокий КПД. Накачка таких лазеров осуществляется с помощью дополнительных твердотельных или полупроводниковых лазеров. В настоящее время различные типы волоконных лазеров успешно применяются для решения многих фундаментальных и прикладных задач.

В волоконных лазерах оптический резонатор представляет собой отрезок волоконного световода, ограниченный с обеих сторон брэгговскими решетками. Перестройка резонансной частоты в больших пределах осуществляется изменением длины активного световода, т.е. резонатор должен иметь разрыв регулируемой длины. Малая регулировка резонансной частоты осуществляется механическим растяжением активного волновода.

Наиболее подходящими для оптических линий связи являются волоконные лазеры с комбинированной линейно-кольцевой схемой резонатора, которые могут генерировать оптическое излучение как в непрерывном, так и в импульсном режимах вплоть до фемтосекундных длительностей импульсов. Пример такой схемы генератора приведен на рис. 7.5 [5].

Резонатор состоит из двух частей: цельноволоконной кольцевой части и короткого линейного участка световода. Обе части резонатора связаны посредством волоконно-оптического циркулятора, который для кольцевой части играет также роль оптического диода, обеспечивая в ней однонаправленный режим генерации. Глухое зеркало (R_отр = 1), ограничивающее линейную часть резонатора, путем прецизионного перемещения позволяет изменять длину резонатора и тем самым плавно перестраивать частоту. В качестве активного световода используют высоколегированное эрбием волокно длиной 1,8 м. Вывод генерируемых оптических импульсов из резонатора осуществляется через 10 %-ый волоконный ответвитель. Поляризационным дискриминатором служит тонкопленочный поляризатор, установленный перед глухим зеркалом.

Рис. 7.5. Схема резонатора лазера (WDM –спектральный мультиплексор; КП – контроллеры поляризации;)

Для генерации сверхкоротких импульсов порядка 100 - 200 фс в лазере создается режим самосинхронизации мод за счет эффекта нелинейного двулучепреломления на длине волны 1,530 мкм. Выходная мощность излучения составляет около 20 мВт при мощности накачки на λ = 1,48 мкм в 350 мВт.

Использование активного волоконного световода, легированного висмутом, в подобной схеме линейно-кольцевого лазера позволило получить лазерную генерацию в спектральном диапазоне 1,15 - 1,30 мкм. Генерация оптического излучения в диапазоне 1,55 мкм также была получена в лазере, сформированном в планарном световоде из ниобата лития, легированного ионами титана и эрбия. С помощью накачки другими твердотельными лазерами (λ = 1,064 мкм) была путем инверсии уровней ионов Er³⁺ получена генерация в непрерывном и импульсном режимах.

Контрольные вопросы

1. Что такое светодиоды?

2. Каковы отличия светодиодов от лазеров?

3. Что такое РБО и РОС лазеры?

4. Каковы особенности волоконных лазеров?

5. Особенности лазеров, применяемых в волоконно – оптических линиях связи?

Рекомендуемая литература

1. Щука А.А. Наноэлектроника. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2007.

2. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. основы квантовой электроники. Учебное пособие. СПб, издательство СПбГТУ, 2001.

3. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей. Москва, Радио и связь, 2003.

4. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. Москва, Физматлит, 2008.

5. Денисов В.И., Иваненко А.В., Нюшков Б.Н., Пивцов В.С. Фентосекундный волоконный лазер с комбинированной линейно – кольцевой схемой резонатора. Квантовая электроника, 2008, т. 38, № 9, с.801.

6. Жуков А.Е., Ковш А.Р. Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек для систем оптической связи. Квантовая электроника, 2008, т. 38, № 5, с. 409.