Задача №11

Задана брэгговская акустооптическая ячейка из LiNbO₃ c параметрами: L=2мм; а=2мм; =0,633мкм; n=2,2; V_a= 6,5710³ м/с; М₂ = 7,02 10 ^-15с³/кг. Определить параметры при использовании её в качестве акустооптического модулятора при заданном коэффициенте модуляции М_мод=0,5 (_ак, f_ак, _б, Р_ак, f_ак), в качестве акустооптического дефлектора (, , N), разрешающую способность по частоте при использовании её в качестве частотомера.

Указание: принять f_ак.ср.=2f_ак.мин

6. Особенности источников оптического излучения для волс и ов.

Принцип работы источников оптического излучения основан на квантовых переходах частиц с излучением, которые происходят при переходе частиц с верхнего энергетического уровняE_j на нижнийE_k. При этом происходит излучение с частотой, определяемой из соотношения Бора

,

где h=6,6310^-34Дж– постоянная Планка.

В оптических волноводах (ОВ) и ВОЛС используются, в основном, ПП-источники оптического излучения светодиоды (СД) и лазерные диоды (ЛД). Средняя длина волны излучения при этом определяется шириной запрещенной зоны ППЕсогласно связи энергии фотона и частоты. Для расчетов эта связь используется в упрощенном виде

. (6.1)

Инжекционный светодиод отличается от инжекционного лазерного диода только отсутствием зеркал. Используются следующие ПП материалы: GaP,GaAs,SiC,GaAlAs,GaAsP,GaNи др с примесями. При этом примесиZnвызывают красное свечение,N–зеленое, аSi–инфракрасное. У светодиодов присутствует только спонтанное излучение (некогерентное, немонохроматическое, ненаправленное и неполяризованное). Светодиоды используются в основном для индикации и в системах автоматики, поэтому к ним предъявляются требования только увеличения выхода света (КПД). В конструкции (рис.6.1,а) получается низкий КПД из-за отражения на границе ПП–воздух. Для повышения КПД кристаллу придается полусферическая форма или добавляется линза (рис.6.1,б), обеспечивающая согласование и повышающая направленность. Такие конструкции с однимp-nпереходом

Рис.6.1.Конструкции светодиодов и лазерного диода

называются гомосветодиодами. Для повышения КПД и направленности используются многослойные конструкции, которые нызываюсягетеросветодиодамиилисуперлюминесцентнымисветодиодами. Такие светодиоды используются в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) и имеют ширину спектральной линии.

Лазерный диод (ЛД) в простейшем варианте представляет собой кристалл ПП с р–nпереходом (рис.6.1,в) и подводящими контактами. Роль зеркал играют отполированные передний и задний торцы кристалла (коэффициент отражения=0,3–0,4), а боковые поверхности делаются матовыми. Благодаря многократным переотражениям, как и в любом лазере, излучение становится более когерентным, монохроматичным (1-3 нм), направленным и поляризованным. В одномодовых ЛДдостигает0,010,02 нм.

Зависимость излучаемой мощности Р_от тока накачкиI_н, называемаяватт – ампернойхарактеристикой, имеет два примерно прямолинейных участка, разделённых пороговым токомI_ПОР. На первом участке (I<I_ПОР) c меньшей крутизной излучение носит, в основном,спонтанныйхарактер, т.е. некогерентно, немонохроматично, ненаправлено и неполяризовано (как у светодиода), а режим работы называетсясветодиодным. На втором участке (I>I_ПОР) излучение уже носит вынужденный характер (более когерентно, монохроматично, направлено и поляризовано), а режим называетсялазерным.

Такая простейшая структура с одним р–nпереходом называетсягомолазероми имеет ограниченное применение из–за возможности работать только при очень низких температурах (Т4К). При повышении температуры все энергетические уровни повышаются, и в валентной зоне не оказывается места для дырок, т.е. условие инверсии для дырок не выполняется.

Основное применение нашли гетеролазерына основе многослойных структур из нескольких переходов, параметры которых уменьшают потери и увеличивают долю излучаемых фотонов, а, следовательно, повышают КПД. Гетеролазеры могут работать в импульсном режиме при комнатных температурах, но всё же требуют охлаждения из-за перегрева кристалла при прохождении тока накачки. При этомполупроводниковым лазером чаще называется лазерный диод с системой охлаждения и датчиком температуры или излучаемой мощности. Размеры кристалла составляют не более 500мкм.Расходимостьизлучения определяется размером активной области, заштрихованной на рис.6.1,в, и в плоскости, перпендикулярнойр–nпереходу, выражается известной формулой

[рад], (6.2)

т.е. ЛД излучает, как узкая щель.

Источник также характеризуется числовой апертурой

(6.3)

На практике расходимость составляет (15–60), и для повышения направленности требуется оптическая система. Мощность излучения ограничивается нагревом кристалла, зависит от разностиI–I_ПОРи для непрерывного режима не превышает 10 мВт при комнатной температуре, поэтому инжекционные лазеры применяются там, где не требуются большие мощности и направленность (ВОЛС, оптическая память и т.д.).

Амплитудная модуляция может осуществляться током накачки, но из–за нелинейности ватт – амперной характеристики чаще применяются её разновидности (ЧИМ, ШИМ). При этом максимальная частота модуляции (отсечки) fcограничивается как параметрами р–n перехода, так и монтажными реактивностями и поэтому приближённо оценивается по одной из формул:

, (6.4)

где L_M,C_M– монтажные индуктивность и ёмкость;С_i – ёмкостьр–nперехода;R_P– распределённое сопротивление токопровода. Из полученных значений имеет смысл наименьшее, составляющее несколько ГГц, но реальноf_с=(0,32)ГГц.

В одномодовых ЛД из-за эффекта ‘чирпа’ (см. п. 2.3.3) часто приходится отказаться от модуляции током накачки и использовать внешний оптический модулятор какого либо типа.

Основным недостатком лазерных диодов является ограниченный срок службы (несколько тысяч часов) из–за постепенной деградациизеркал– появления микротрещин и эрозий вследствие перегрева кристалла. Это явление приводит к постепенному уменьшению мощности излучения.

В волоконно – оптических линиях связи в качестве источников оптического излучения используются передающие модули, работающие, в основном, в цифровом режиме. Функциональная схема одного из вариантов такого модуля показана на рис.6.2, где обозначено: 1– система входного формирователя, обеспечивающая согласование со стандартными сигналами ТТЛ– логики со схемой блокировки, выключающей питание лазерного диода без сигнала; 2– формирователь импульсов тока накачки, увеличивающий ток накачки по мере деградации зеркал и выдающий сигнал потенциального отказа при достижении максимального тока; 3– лазерный диод с оптической системой– 4 и оптическим разъёмом– 5; 6– фотодиод, принимающий излучение тыльной стороны лазерного диода; 7– усилитель фототока, дающий в формирователь– 2 информацию о величине излучаемой мощности.

Подобные модули имеют малые габариты (порядка 15 см³), малую потребляемую мощность и хорошо согласуются с ВОЛС. Современные модули выполняются в виде герметичных микросборок с использованием микроплёночной и интегральной технологий.

Рис.6.2. Передающий модуль для ВОЛС