Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 23_Управление длиной волны КТ
.pdfУправление 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 Ga1−X AsY P1−Y = yxdInAs + y(1− x)dGaAs +(1− y)xdInP +(1− y)(1− x)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