12 Параметры и характеристики лазерных диодов (лд)

Ватт-амперная характеристика типичного ЛД приведена на рис. 2.1. Пороговый ток для этого диода равен 75 мA. При меньших токах наблюдается медленный рост оптической мощности при увеличении тока накачки. Выходное излучение не когерентно, поскольку вызвано спонтанной эмиссией в области рекомбинации (светодиодная область работы ЛД). Измерение ширины спектра показало бы значительное уменьшение ширины линии при превышении током накачки порогового значения. Значения порогового тока лежат в интервале 30…250 мA для большинства ЛД. Напряжение прямого смещения составляет 1,2…2 В при пороговом токе. Прямой ток быстро повышается с увеличением напряжения на диоде, как показано на рис. 2.2. Выходные мощности лазеров непрерывного режима (continuous wave – CW^) лежат в области 1…10 мВт. Импульсные лазеры, работающие с малой скважностью, могут генерировать большие пиковые мощности (без опаски выхода из строя), но CW–лазеры, которые способны переключаться из режима включено, в режим выключено с высокой скоростью, более полезны для связи. Значение рабочего тока накачки составляет приблизительно 20…40 мA сверх порогового. Работа при токах, превышающих указанные изготовителем, уменьшает срок службы диода.

Принцип осуществления цифровой модуляции лазерного диода, показанный на рис. 2.3, тличается из цифровой модуляции светодиода. На ЛД подается ток постоянного смещения I_0, равный пороговому току (режим передачи двоичного нуля). Он увеличивается до значения I₀ + i_с при передаче двоичной единицы путем подачи импульса положительной полярности с пиковым значением i_с (см. рис.2.3). Когда приложенное прямое смещение близко к пороговому значению, диод включается более быстро и ток сигнала может быть меньшим, чем в случае отсутствия смещения.

При аналоговой модуляции (рис. 2.4) постоянное смещение должно превышать порог, так, чтобы работа происходила в линейной области ВтАХ. Лазерные диоды существенно чувствительны к изменениям температуры, рис. 2.5. При увеличении температуры, коэффициент преобразования ток-мощность уменьшается так, что все больший ток требуется для начала генерации. Значение порогового тока становится большим (увеличивается со скоростью приблизительно 1,5 %/ C). Это происходит вследствие тепловой генерации дырок в n–слое и электронов в p–слое. Появившиеся свободные заряды рекомбинируют со свободными электронами и дырками вне активного слоя, что снижает количество носителей заряда, достигающих этого слоя и, следовательно, уменьшается число зарядов, необходимых для обеспечения усиления и стимулированной эмиссии. Кроме этого, термически сгенерированные электроны и дырки в активном слое непосредственно рекомбинируют безызлучательно, тем самым, уменьшая инверсию населенности. Это также снижает коэффициент усиления активной среды и увеличивает пороговый ток.

Рассмотрим последствия этого явления. При постоянном токе накачки выходная мощность лазерного диода уменьшается при повышении температуры. Изменение мощности может быть недопустимо, поскольку это чревато увеличением числа ошибок в приемном устройстве. Если мощность снизится значительно, то прием может стать невозможным. Имеются два метода преодоления этой проблемы: термоэлектрическое охлаждение диода и изменение тока смещения, компенсирующего изменение порога. Термоэлектрический охладитель – это устройство на основе полупроводникового перехода, которое изменяет свою температуру в зависимости от направления, протекающего через него тока. Лазерный диод устанавливают на охладителе. Температура диода измеряется с помощью термистора, который является частью схемы контроля. Последняя, автоматически регулирует ток, протекающий через термоэлектрический холодильник, который стабилизирует температуру лазерного диода. В другой схеме для стабилизации мощности измеряется фактическое изменение выходной оптической мощности путем детектирования с помощью контрольного фотодиода света из тыльной части лазерного диода. В схеме стабилизации сравнивается текущее значение продетектированного тока с опорным и вырабатывает сигнал, управляющий током постоянного смещения лазерного диода.

Длина волны излучения лазера также зависит от температуры. Это происходит вследствие зависимости показателя преломления материала от температуры. Значения резонансных длин волн и спектральное расстояние между ними определяются показателем преломления вещества, заполняющего резонатор. При вариациях температуры изменяется значение показателя преломления волноводного слоя, что приводит к сдвигу центральной длины волны эмиссии и к небольшому изменению в расположении продольных мод многомодового лазерного диода. Типичный сдвиг длины волны составляет несколько десятых долей нанометра на градус (температурный коэффициент равен приблизительно 0,3 нм/C). В большинстве случаев эти сдвиги длины волны несущественны, поскольку они малы (несколько нанометров) и потому, что значение отклика фотоприемника не изменяется при таком небольшом сдвиге. Однако имеются случаи, когда сдвиг длины волны может иметь серьезные последствия. Если система работает вблизи длины волны нулевой дисперсии волокна, то сдвиг длины волны на 5…10 нм значительно увеличил бы дисперсию и уменьшил ширину полосы пропускания системы. Или другой пример: WDM системы требуют чрезвычайной высокой стабильности длины волны. Для таких систем температурные сдвиги длины волны недопустимы даже на доли нанометра.

Лазерные диоды из AlGaAs работают в области 0,8…0,9 мкм, а лазерные диоды из InGaAsP излучают свет с длиной волны 1…1,7 мкм (в длинноволновых окнах прозрачности ОВ).

Лазерные диоды имеют большее быстродействие, чем светодиоды. Этот факт обусловлен, прежде всего, тем, что время нарастания светодиода определяется временем жизни спонтанной эмиссии материала, а время нарастания лазерного диода зависит от времени жизни стимулированной эмиссии. В полупроводнике время жизни спонтанной эмиссии – это среднее время, в течение которого свободные носители заряда (электроны и дырки) существуют в активном слое до момента спонтанной рекомбинации. Время жизни стимулированной эмиссии – это среднее время, в течение которого свободные носители заряда существуют в активном слое прежде, чем стимулированно прорекомбинируют. Очевидно, что для лазерной среды, имеющей усиление, время жизни стимулированной эмиссии должно быть меньше, чем время жизни спонтанной эмиссии. Иначе акты спонтанной рекомбинации начались бы прежде, чем акты вынужденной эмиссии, что уменьшило бы инверсию населенности, величину усиления и привело бы к отсутствию генерации. Процесс быстрой вынужденной эмиссии, который доминирует при актах рекомбинации в лазерном диоде, гарантирует, что лазерный диод ответит более быстро на изменение тока накачки, чем светодиод.

Времена нарастания лазерных диодов лежат между 0,1 и 1 нс. Их излучение может быть промодулировано аналоговым сигналом с частотами в несколько гигагерц. Короткое время нарастания имеет место при смещении диода выше порогового значения. Это время значительно увеличивается при нулевом токе смещения. Скорости модуляции в десятки гигагерц были достигнуты для специально разработанных диодов.

Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1…5 нм, что значительно меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше, чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах – между энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах. Спектр лазерного диода, работающего на  = 1,3 мкм, приведен на рис. 2.6. Многочисленные пики соответствуют продольным модам лазера.

Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет многомодовый спектр, аналогичный приведенному на рис. 2.6. При увеличении тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. На рис. 2.7 показан спектр лазера генерирующего одну продольную моду. Как и ожидалось, ширина линии намного меньше (равна примерно 0,2 нм), чем у многомодового лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы хроматическую дисперсию в волокне вследствие узкой спектральной линии.

Диаграмма направленности излучения лазерного диода не симметрична, как показано на рис. 2.8. Свет лазерного диода сконцентрирован внутри значительно меньшей области углов, что делает ввод излучения в волокно более простым и эффективным. Когерентный свет, излучаемый лазером, подчиняется законам дифракции. Из них следует, что величина расходимости пучка обратно пропорциональна размерам излучателя. Этот результат применим только к когерентному свету, и объясняет больший угол расходимости пучка, соответствующую меньшему размеру излучающей площадки, а меньший угол расходимости пучка, соответствует ее большему размеру. Диод на рис. 2.8 имеет ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности 10 в плоскости параллельной и 35 в плоскости перпендикулярной переходу.

Надежность и срок службы CW-лазерных диодов значительно повысились в начале 1970-х годов после создания первых гетероструктурных приборов из AlGaAs. Ресурс диодов, работающих при комнатной температуре, может превышать 10 лет. Параметры диодов быстро ухудшаются при повышении температуры. Однако даже при температуре 70C срок службы хороших серийных лазерных диодов может превышать 10⁴ часов.