3. Лазерные диоды. Принцип действия. Конструкция. Характеристики лд. Использование в восп.

ЛД- устройство, усиливающее вынужденное излучение активной среды. Основное отличие ЛД от СИД заключается в использовании вынужденного излучения. В состав ЛД вводится оптический резонатор, который обеспечивает при высоких точках накачки получение когерентного излучения. В начальный момент времени ЛД работает в режиме спонтанного излучения. Спонтанные фотоны захватываются резонатором, многократно отражаясь от зеркал резонатора, приобретают энергию равную ширине ЗЗ.

При взаимодействии фотонов с электронами происходит рекомбинация электронов, сопровождающаяся вынужденным излучением. Спонтанные фотоны порождают подобные себе вынужденные фотоны, обладающие той же энергией и соответственно длиной волны. При этом возникают синфазные оптические волны и обеспечивается высокая когерентность излучения. При высоких токах инжекции возникает инверсная населенность – это состояние, когда число возбужденных электронов в атоме больше числа невозбужденных. При этом условии количество электронов и дырок в области p-n перехода велико и поэтому более вероятен эффект вынужденного излучения.

Различают следующие виды лазеров:

1. лазер на Фабри- Перо резонаторе;

2. лазер с распределенной ОС (РОС – лазер);

3. лазер с распределенным брэговским отражением (РБО – лазер);

4. лазер с внешним резонатором.

1). Фабри – Перо лазер представляет собой двойную гетероструктуру, заключенную между параллельно расположенными отражательными поверхностями. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение 2х условий:

- длина волны должна удовлетворять условию 2D = Nλ, где D – диаметр резонатора Фабри – Перо, N – целое число;

- длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением.

С ростом скорости передачи у лазера Фабри – Перо наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному уширению спектра ( до 10 нм).

Свободными от этого недостатка являются, РОС – лазер и РБО – лазер являются модификацией лазера Фабри – Перо, но в них дополнительно вводится пространственная периодическая модуляционная структура. Периодическая структура в РОС – лазере совмещена с активным слоем; в РБО – лазере – вынесена за пределы активного слоя.

Сложность технологии производства РОС – лазера привела к разработке РБО – лазера. При производстве РБО – лазера точность изготовления периодической структуры должна быть такой же высокой как и активного слоя. Изменяя расстояние и наклон дифракционной решетки можно изменять длину волны излучения до 30 нм, поэтому эти лазеры используются в WDM – системах или измерительных приборах.

Характеристики:

1. Выходная мощность- мощность соответствующая конкретному значению порогового тока.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт- амперной характеристикой. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение. При повышении некоторого порога током накачки, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности. Крутизна нарастания называется квантовой эффективностью η_д = dP/ dI_н= 0,1 …0,2 мВт/ мА. Iпор= 10 …100 мА.

2. Выходная ДН.

Эффективность ввода излучения в ОВ зависит от диаметров выходных пучков излучения и NA.

3. Спектральная ширина. Источники излучения не являются идеально- монохроматичными, поэтому излучение колеблется в некотором диапазоне длин волн. Данный диапазон длин волн называется спектральной шириной характеристики. Δλ_ЛД = 1…3нм.

4. Быстродействие источника определяется временем нарастания и спада сигнала.

5. Простота использования. Оптические свойства ЛД намного лучше, но при эксплуатации требуется специальное управляющее устройство.

6. Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации характеристики ЛД ухудшаются- падает мощность. Гарантированное время эксплуатации источников 50 000 часов (5-8лет). Время эксплуатации определяется 50 % снижением мощности.