4.1.2. Лазерні діоди (лд)

Принциповою відмінністю лазерного світлодіода від простого світлодіода є наявність у нього вбудованого резонатора, що дозволяє при перевищенні певної величини струму (пороговому струмові) отримати режим індукованого випромінювання, яке характеризується високим ступенем когерентності.

Отже, ЛД працює при більших струмах накачування, ніж СД водночас має значно меншу ширину спектра випромінювання.

З

Рис.4.1.3. Залежність потужності СД і ЛД від струму накачування:

1 – лазерний діод; 2 – світлодіод

алежність потужності випромінювання від струму накачування описується ват-амперною характеристикою ЛД. При малих струмах накачування лазер характеризується малим спонтанним випромінюванням (див. рис. 4.1.3). При перевищенні деякогопорогового струму накачування потужність випромінювання починає різко зростати та воно стає когерентним. Тому для забезпечення нормальної роботи ЛД у динамічному режимі необхідне початкове зміщення робочої точки постійним струмом, який приблизно дорівнює, в точку трохи правіше цього значення. У протилежному випадку потужність випромінювання та швидкодія ЛД значно зменшаться, а ширина спектра випромінювання суттєво розшириться.

Нахил ват-амперної характеристики за точкою характеризуєдиференціальну квантову ефективність . Типові значення цієї величини складають 0.1-0.2 мВт/мА, а пороговий струм лежить у межах 10-100 мА.

Для ЛД характерна залежність тавід температури. З ростом температури пороговий струм зростає, ападає. Зміна температури призводить також до зміни довжини хвилі випромінювання.

Для зменшення залежності характеристик ЛД від температури застосовують спеціальні заходи по стабілізації температури ЛД, наприклад, за допомогою елементів (мікрохолодильників) Пелтьє.

Для характеристики потужності випромінювання ЛД використовують не тільки традиційні (мВт, мкВт) а й специфічні одиниці (децибел-міліват (дБм)):

[мВт]. (4.1.1)

Ця одиниця характеризує рівень потужності порівняно з 1 мВт. Наприклад, 1мВт відповідає 0 дБм; 50 мкВт відповідає –13 дБм. Використання такої одиниці викликане тим, що її застосування спрощує енергетичні розрахунки бюджету ліній.

Звичайно потужність випромінювання, яка наводиться в характеристиках оптичних передавачів, може варіювати в певному діапазоні. У таких випадках вказують діапазон потужності випромінювання. Наприклад, запис –19/–14 дБм означає, що –19 дБм, а–4 дБм.

Смуга пропускання волокна обернено пропорційна ширині спектра випромінювання, що проходить через ОВ. Природно, що ця величина пов’язана із шириною спектра випромінювання джерела. Так, наприклад, якщо 4 нм смуга пропускання на 100 км складає 63 МГц, а при0.2 нм 1260 МГц.

Найбільше розповсюдження отримали такі типи ЛД:

ЛД із резонаторами Фабрі-Перо (Фабрі-Перо-лазер);

ЛД із розподіленим оберненим зв’язком (РОЗ-лазер (РОС – російською));

ЛД із розподіленим брегівським відбиванням (РБВ-лазер (РБО – російською));

ЛД із зовнішнім резонатором.

4.1.3. Фабрі-Перо-лазер

Фабрі-Перо-лазер являє собою кристал у вигляді паралелепіпеда, торцеві грані якого утворюють резонатор Фабрі-Перо. Розміри резонатора 100-500 мкм і ширина 100 мкм. Ширина активної області 10 мкм, товщина 1 мкм. Діаграма направленості оптичного випромінювання в поперечному перерізі являє собою витягнений еліпс із розбіжністю по меншому діаметру 2-10^о, 30-60^о по більшому. Резонатор Фабрі-Перо утворений двома протилежними гранями паралелепіпеда, що перпендикулярні до його повздовжньої осі. Дзеркалами резонатора є самі ці грані, оскільки, враховуючи коефіцієнт заломлення арсеніду галію (), коефіцієнт відбивання для нормально падаючих променів достатньо великий ().

Довжина хвилі, що виходить у генерацію, повинна задовольняти стандартну умову (– довжина резонатора).

Сучасні ЛД випускають у металевому корпусі, в якому на одній підложці розташовані власне ЛД, фотодіод і терморезистор. У свою чергу вся підложка розташована на мікрохолодильнику (елементі Пелтьє). Фотодіод розташовується за задньою гранню. При цьому приймальна площина фотодіода нахиляється відносно оптичної осі системи, щоб уникнути паразитних відбивань. Призначення фотодіода – влаштування негативного оберненого зв’язку в електронній схемі накачування лазера. Такий зв’язок дозволяє стабілізувати потужність лазера шляхом регулювання струму накачування. Термостабілізацію (стабілізацію довжини хвилі випромінювання) забезпечує використання терморезистора та мікрохолодильника.

У корпус лазерного модуля може також включатися одномодове оптичне волокно, яке входить в одноволоконний оптичний кабель, а також юстувальний пристрій. Все це також розташовується на тій підложці, на якій виконано лазер.

У таблиці 7 наведені основні характеристики деяких ЛД, які випускаються в Росії.

Таблиця 7

Характеристики	Тип лазерного модуля
	ПОМ-03543	ПОМ-03545	ЛПН-602М	ПОМ-514 ЗАО “телаз”
Довжина хвилі випромінювання, мкм	1.28–1.33	1.5–1.55	1.5–1.55 1.3–1.33	1.25–1.35
Потужність випромінювання, мВт	1.5	25	0.5 – 2.0	1.0
Пороговий струм накачування, мА	20	25	30	40
Робочий струм накачування при 1.0 мВт, мА	31	41	50	70
Струм вбудованого ФД при 1.0 мВт, мкА	380	348	200	200
Опір фоторезистора, кОм	19	19	10	10
Максимальний струм мікрохолодильника, А	0.5	0.5	1.0	1.0
Максимальна швидкість передачі, Мбіт/с	155	155	622	155
Температура стабілізація, Со	18	18	18	20

Лазерні діоди такого типу використовують в основному у відносно низькошвидкісних системах ВОЛЗ. Вони можуть бути як багатомодовими, так і одномодовими, тобто випромінювати на одній повздовжній моді. Проте ширина спектральної лінії у таких лазерів не менше ніж 1 нм.

З

Рис. 4.1.4

ауважимо, що в таких лазерів при зміні струму накачування зміняється не тільки потужність, але й довжина хвилі випромінювання (рис. 4.1.4). Отже, якщо для цих лазерів застосовувати режимпрямої модуляції (модуляція потужності за рахунок зміни току накачування), то це призводить до розширення спектра (на величину 20-40 нм), який припадає на один інформаційний сигнал.

Природно, що такий тип модуляції може застосовуватися лише на коротких лінях, оскільки для більш довгих ліній передачі, при такій ширині спектра, невиключений значний вплив хроматичної дисперсії волокна. Крім цього, як правило, в таких системах використовують однохвилевий режим роботи.

У багатохвилевих системах передачі з частотними інтервалами (близько 100 ГГц) використання прямої модуляції стає неможливим. У таких системах передачі застосовують зовнішню модуляцію. При такому способі робоча точка лазера на ват-амперній характеристиці підтримується в постійному положенні (в більшості випадків у середині лінійної ділянки). Стабілізація робочої точки здійснюється за допомогою електронної схеми з петлею негативного оберненого зв’язку, яка містить фотодіод, вбудований в корпус лазера. Як зовнішній модулятор використовують вже відомі нам акустичні, електрооптичні та інші модулятори світла.

Останнім часом широке впровадження знайшли електроабсорбційні модулятори. Це пов’язано з тим, що подібні модулятори характеризуються малими напругами живлення (при 100 відсотковій модуляції). Крім цього, такі модулятори легко інтегруються з такими елементами, як оптичний ізолятор.

Значно вищими характеристиками володіють три інших більш досконалих типи лазерів.