5.4.8. Пространственные характеристики излучения лазера

Рис. 5.20. Угловая расходимость излучения лазера

На пространственное распределение поля излучения, в основном, оказывает влияние наличие боковых поперечных мод. Можно пользоваться двумя способами описания пространственного распределения. Распределение в ближней зоне соответствует изменениям плотности мощности по выходному торцу лазера. Распределение в дальней зоне относится к характеристикам направленности генерируемого излучения. Угловая расходимость излучения зависит от толщины активного слоя и скачка показателя преломления в гетероструктуре. Обычно диапазон углов, в котором интенсивность превышает половину максимальной, составляет примерно 40^ов плоскости, перпендикулярной плоскости перехода, и 5^о...10^ов плоскости, параллельной переходу (рис. 5.20).

5.4.9. Модуляция излучения лазера

Поскольку ЛД являются источником когерентного излучения, то возможны различные виды модуляции излучения ЛД: амплитудная, частотная, фазовая и по интенсивности. До скоростей передачи 2.5 Гбит/с используется модуляция интенсивности.

При этом возникают искажения формы оптического импульса, которые проявляются в:

• задержке переднего фронта оптического импульса на время t_d , ведущей к укорочению импульса излучения по сравнению с модулирующим электрическим импульсом,

• нестабильности импульса во времени,

• релаксационных колебаниях («звон»).

Рассмотрим форму импульса светового излучения ЛД, когда на него подается прямоугольный импульс тока. Пока плотность носителей в активной области не достигнет пороговой величины, лазерной генерации не будет, величина задержки определяется выражением

, (5.24)

где _p- время жизни неосновных носителей в области рекомбинации,I_p- амплитуда приложенного импульса тока,I_пор- величина порогового тока.

При импульсной модуляции ЛД временная задержка излучения t_dможет быть уменьшена подачей на лазер постоянного тока смещенияI₀.

. (5.25)

Если ток смещения I₀меньше порогового токаI_порили равен 0, то при модуляции лазера двумя последовательными импульсами временная задержка для второго импульса будет меньше, поскольку плотность зарядов вp-nпереходе из-за остаточного действия первого импульса будет выше к началу второго импульса. Это приводит к дрожаниям фронтов (джиттеру) и колебаниям амплитуд импульсов.

5.4.10. Структурная схема передающего блока

Рис. 5.21. Блок-схема управления режимом работы лазера.

Характеристики ЛД в большей степени, чем у СИД подвержены влиянию температуры и могут медленно меняться с течением времени вследствие процессов старения. Так при изменении температуры величина порогового тока GaAlAs/GaAs-ЛД меняется со скоростью +1 %/ ^оС. а для InGaAsP/GaP-ЛД - со скоростью +(23)%/^оС. Старение лазеров приводит к возрастанию порогового тока. Для лазеров с длиной волны излучения 850 нм скорость изменения порогового тока составляет 1 мА на 1000 часов (около 42 дней) при среднем времени наработки 10⁵часов.

Для компенсации температурных изменений можно было бы ограничиться стабилизацией температуры ЛД. Влияние старения также можно было бы компенсировать изменением температуры ЛД (охлаждение лазера по мере старения). Однако такие схемы не эффективны и не практичны, так как требуют большого диапазона температурного регулирования (при пороговом токе 50 мА, скорости изменения порогового тока 1 %/^оС и 1 мА/килочас за время 10000 часов потребуется охлаждение на 20^оС).

В то же время ЛД на основе структур InGaAsP/GaP имеют более высокий температурный коэффициент изменения порогового тока. При изменении температуры на 30 40^оС величина порогового тока может удвоиться, что будет приводить к более быстрой деградации лазера. Поэтому в излучателях на основе этих лазеров применяются полупроводниковые термохолодильники на основе эффекта Пельтье.

В схемах управления излучением лазеров требуется обеспечить смещение и обеспечить работу лазера в течение всего срока эксплуатации в заданных интервалах температур.

Общая схема управления излучением лазером приведена на рис. 5.21.

Можно выделить три петли управления:

• управление рабочей температурой лазера,

• управление током смещения,

• управление параметрами модулирующего сигнала (амплитудой импульсов).

Схемы управления могут быть самыми разнообразными и содержать одну, две или все три петли управления.

В схеме управления, приведенной на рис. 5.21, контролируются средний (с помощью интегратора) и максимальный уровни мощности света, а также температура излучателя. Три петли обратной связи управляют током смещения, коэффициентом передачи усилителя накачки и температурой излучателя.