Скачиваний:
52
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
416.89 Кб
Скачать

Управление длиной волны излучения массива КТ, КТ лазеры для ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) требуют источников лазерного излучения, работающих на вполне определенных длинах волн.

Затухание оптического сигнала при распространении в волокне является следствием двух факторов – поглощения и рассеяния. Поглощение обусловлено прежде всего радикалами OH+ и легирующими примесями, введенными для модификации показателя преломления стекла, и имеет дискретный спектральный характер, определяемый элементным составом стекла. Рассеяние ~1/λ4. Таким образом, при прочих равных условиях, большие длины волн имеют преимущество для передачи данных на большие расстояния.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 1

 

6

 

 

 

 

scattering

 

 

 

 

 

 

absorption

 

5

 

 

 

 

attenuation

Attenuation

4

0.85 µm

 

 

 

 

3

 

1.3 µm

 

1.55 µm

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

 

 

 

 

 

Wavelength, µm

 

Схематическое изображение спектра пропускания оптического волокна

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 2

В результате наложения спектров поглощения и рассеяния образуется три спектральных окна прозрачности на длинах волн около 850, 1300 и 1550 нм, которые могут быть использованы в волоконно-оптической связи.

Максимальная дальность передачи Lmax ограничена величиной затухания на данной длине волны и составляет приблизительно 1, 10 и 100 км, соответственно.

На более коротких расстояниях (L < Lmax) максимальная скорость передачи и дальность передачи связаны друг с другом и определяются размытием волнового пакета вследствие ненулевой ширины лазерной линии, λ, и наличия дисперсии волокна, т.е. зависимости его показателя преломления от длины волны света.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 3

Произведение скорости, R, и дальности, L, передачи может быть представлено как функция длины волны следующим выражением:

RL =

1

,

2πD(λ)λ

 

 

где D(λ) – зависящий от длины волны коэффициент дисперсии.

 

S

0

 

 

λ4

 

D =

 

 

λ

0

 

 

 

 

4

 

 

3

 

 

 

 

λ

 

Здесь λ0 – длина волны, отвечающая минимуму дисперсии стандартного одномодового оптического волокна, равная 1310 нм, коэффициент S0 приближенно равен 0.09 пс/нм2-км.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 4

x км

1000

 

 

 

 

Гб/с

 

 

 

 

 

расстояние,

100

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

передачи

1

Ширина лазерной линии:

 

 

 

 

 

1/3000 (SM-VCSEL)

 

Скорость

0,1

 

1/300 (SM-FP or MM-VCSEL)

1000

1200

1400

1600

800

 

Длина волны, нм

 

 

 

 

 

 

Зависимость произведения скорости передачи данных и длины линии волоконно-оптической связи от длины волны излучения для двух различных спектральных ширин линии лазерного излучения.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 5

 

100

 

 

1.3 µm

 

 

 

 

 

 

 

10

0.85

µ

 

1.55 µm

 

 

 

 

 

Gb/s

 

m

 

 

 

1

 

 

 

 

 

Bitrate,

 

 

 

 

 

0.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.01

0.1

1

10

100

1000

 

0.01

 

 

Distance, km

 

Зависимость скорости передачи от длины связи для различных окон прозрачности

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 6

Запрещеннная зона, эВ

4

3

2

1

0

GaP AlAs

GaAs InP

GaAsN 1.3 мкм InAs

5,5 6,0

Постоянная решетки, A

Полупроводниковые соединения, потенциально пригодные для формирования активной области лазера, работающего в диапазоне 1.3 мкм

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 7

До недавнего времени все инжекционные лазеры спектрального диапазона 1.3 мкм эпитаксиально выращивались на подложках InP в системах материалов InGaAsP или InGaAlAs.

Для InXGa1-XAsYP1-Y соотношение между содержанием In и As (зависимость x(y)), необходимое для достижения определенной постоянной решетки, dsub, устанавливается соотношением:

dInX Ga1X AsY P1Y = yxdInAs + y(1x)dGaAs +(1y)xdInP +(1y)(1x)dGaP = dsub

Эти четверные твердые растворы имеют составы, согласованные по параметру решетки с подложками InP и GaAs.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 8

 

1,0

InP

 

 

 

InXGa1-XAsYP1-Y

 

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

on InP

 

 

 

 

 

 

on GaAs

In/(In+Ga)

0,6

 

 

 

 

 

In0.53Ga0.47As

 

In0.48Ga0.52P

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GaAs

 

0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

 

 

 

 

As/(P+As)

 

 

Соотношение между мольной долей In и As в четверном твердом растворе InGaAsP для согласования параметра решетки с InP и GaAs.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 9

В случае составов, согласованных с InP, ширина запрещенной зоны изменяется от ~1.34 эВ (InP) до ~0.74 эВ (In0.53Ga0.47As) и, следовательно, имеется возможность попадания в окна ВОЛС на λ~1.3 мкм (0.95 эВ) и 1.55 мкм (0.8 эВ).

Однако, в случае 1.3-мкм лазеров на основе InGaAsP-материалов энергетическое разделение между квантовой ямой InGaAsP (0.95 эВ) и наиболее широкозонным составом (1.34 эВ) всего 0.39 эВ, которые должны быть поделены, с одной стороны, между разрывами зоны проводимости и валентной зоны, а с другой стороны, между гетероинтерфейсами эмиттер-волновод и волновод-активная область.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 23, стр. 10