Пороговая плотность тока что это

9.3.Пороговая плотность тока в двойной гетероструктуре (дгс).

С уменьшением толщины активной области и волновода (в ДГС это одно и тоже) усиление падает, и потери растут. Внутренние оптические потери в сильнолегированных эмиттерах растут значительно при проникновении в них электромагнитного излучения. Другими словами фактор оптического ограничения (Г_а) для активной области падает в результате пороговый ток и пороговая концентрация растут. Рис 84. Иллюстрация процесса резкого снижения фактора оптического ограничения в зависимости от толщины активной области (волновода). Серым цветом обозначена толщина активной области. Пороговая плотность тока в ДГС начинает расти с уменьшением толщины активной области. Это происходит в результате увеличения фактора оптического ограничения для сильнолегированных эмиттерных слоев. В которых внутренние оптические потери велики из-за высокого уровня легирования р — и п — эмиттера. Рис.85 Зависимость пороговой плотности тока от толщины активной области в ДГС. При уменьшении толщины активной области менее 0.3 мкм наблюдается возрастание пороговой плотности тока поскольку начинает снижаться фактор оптического и внутренние оптические потери растут.

9.4.Пороговая плотность тока в двойной гетероструктуре раздельного ограничения (ро дгс).

Двойная гетероструктура раздельного ограничения (РО ДГС) это лазерная гетероструктура с раздельным ограничением для носителей заряда (тонкая активная область) и фотонов (толстый волновод). Ниже приведено схематическое изображение двойной гетероструктуры раздельного ограничения. Раздельное ограничение позволяет быстрее достигать значение порогового тока, поскольку в тонкой активной области быстрее достигается пороговая концентрация носителей заряда. Рис. 86. Схематическое изображение РО ДГС, зависимости показателя преломления слоев РО ДГС и интенсивности электромагнитного излучения от координаты перпендикулярной эпитаксиальным слоям. Рис. 87. Схематическое изображение реальной энергетической диаграммы двойной гетероструктуры раздельного ограничения с размерами толщин эпитаксиальных слоев активной области и волновода. Узкозонная активная область (малая ширина запрещенной зоны активной области) помещена в широкозонный (с большей шириной запрещенной зоны) волноводный слой. Рис.88. Зависимость пороговой плотности тока от толщины активной области при сохранении постоянной толщины волновода для ДГС и РО ДГС. В результате использования не легированных волноводных слоев, излучение ограниченное широкозонным волноводом не поместившееся в тонкой активной области имеет низкие внутренние оптические потери и как следствие наблюдается снижение пороговой плотности тока при малых значениях толщины активной области. Изменяя число квантовых ям в активной области можно влиять на усиление в полупроводниковом лазере – увеличивать его пропорционально числу активных областей. Увеличение усиления позволяет достигать пороговые концентрации в коротких полупроводниковых лазерах с коротким резонатором, а значит достигать минимальных значений абсолютного порогового тока. Рис. 89. Зависимость усиления от числа квантовых ям в активной области РО ДГС и пороговой плотности тока. Минимальное значение пороговой плотности тока достигается в коротком лазере с максимальным числом квантовых ям. Однако абсолютное значение порогового тока снижается на единицы процентов, но главным является снижение пороговой концентрации носителей заряда в одной квантовой яме. Рис. 90. Зависимость порогового тока от длины резонатора Фабри – Перо и числа квантовых ям в активной области. Рис. 91. Зависимость пороговой плотности тока от длины резонатора Фабри — Перо и числа квантовых ям в активной области. При длине резонатора порядка 0,3 мм пороговая концентрация носителей заряда в одной квантовой яме, в структуре с тремя квантовыми ямами в три раза ниже, чем в структуре с одной квантовой яме. Это свойство широко используется для изменения основных характеристик полупроводниковых лазеров.

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные

Ла́зер ( Laser , Light Amplification by stimulated Emission of Radiation ) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.

Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (Рис.8).

В полупроводнике плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны: зона проводимости с энергией Е с и зона валентных электронов с энергией Е v , между ними находится так называемая запретна зона с энергией Е q .

Рисунок 1.8. Двухуровневая модель процессов в лазере

Зона Е v соответствует базовому(минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии все электроны находятся именно в этой зоне. Если к электронам добавить энергию извне, приложить напряжение смещения к p-n переходу в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. При значительном U см элементы с низкого энергетического уровня переходят на более высокий, т.е. часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходят в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри проводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах возникают положительно заряженные дырки.

Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки и другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает(поглощается). Если «падение» на нижний энергетический уровень (Е v ) происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Такой процесс называется спонтанным.

Частота определяется разностью энергетических уровней E q , т.е. шириной запрещенной энергетической зоны:

Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка». Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного уровня на другой. Но так как время перехода для всех электронов разное, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а следовательно будут неоднородны по частоте. Этот свет и есть некогерентный (СИД). Т.е. в СИД используется механизм спонтанного излучения.

Для создания условия стимулированного излучения необходимо получить сильное электромагнитное поле (высокой концентрации фотонов) в веществе.

В основе работы когерентного источника, ЛД лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором. Широко используется резонатор Фабри-Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси Z .

Эти зеркала выполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси Z , за счет чего уменьшается число поперечных мод. Такой источник света излучает синфазные оптические волны, т.е. является когерентным. В таких структурах, с ПОС происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс, так называемое индуцированное(вынужденное) излучение. Это излучение при каждом переходе между зеркалами усиливается средой полупроводника, т.к. вызывает все новые и новые вынужденные излучательные комбинации носителей. Если общие потери меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект (стимулированное излучение). Стоит убрать зеркало, обеспечивающее ПОС, генерация прекращается, хотя спонтанное излучение остается. Для возникновения колебаний в лазере необходимо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения.

Генерация возможна одновременно на одной или нескольких продольных модах, т.е. излучение лазера происходит в каком-то спектре Δ f , который гораздо уже, чем у некогерентных источников. Исходя из всего сказанного, можно представить схематично конструкцию лазера (Рис 1.9)

Рисунок 1.9.Общая конструкция лазера

Что такое резонатор ? В широком смысле резонатором называют колебательную систему , в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора .

Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо) приведен на рисунке 1.10.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Рисунок 1.10. Резонатор Фабри – Перо

Важной характеристикой резонатора, как и любой колебательной системы, является его добротность, Q . Чем выше Q , тем меньше образуется мод.

Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками.

Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров.

Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на: простейшие (гомолазеры); двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод; с распределенной обратной связью (РОС); с распределенными брэгговскими отражателями (РБО); связанно – сколото — составные (С 3 ); с внешней синхронизацией мод и т.д.

Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного полупроводника GaAs, представляющего собой параллелепипед с p-n-переходом, который перпендикулярен двум противоположным торцам кристалла.

Рисунок 1. 11. Простейший лазерный диод с p-n переходом

1- электрический контакт; 2-плоскопараллельные грани;

Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо. Отражение происходит за счет разницы показателей преломления полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней загрубляют, добиваясь их шероховатости, чтобы не было генерации в нежелательных направлениях. При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции Iн(накачки) возрастает, достигая порогового значения Iп, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект.

Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность Iн должна быть 30 . . . 100 А/см 2 .

Такая большая плотность тока приводит к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При помещении кристалла в жидкий азот достигается длительная работа лазера.

Использовать гомолазер в ВОСП практически невозможно. ЛД для ВОСП должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения.

Уменьшение плотности тока Iни улучшение других характеристик достигается за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину Iн до 1 — 2 А/см 2 .

Название «двойная гетероструктура» означает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Если увеличить Iн в ЛД с ДГС с широким контактом по все поверхности, то генерация сначала возникает в малой области 3-5 мкн. По мере увеличения I загорается всё больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, увеличиваются расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Также ЛД называются лазерами с полосковой геометрией.

Рисунок 1.12. Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной
гетероструктурой

При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R≈0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией (Рис.1.13).

Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.

Рисунок 1.13. Ватт-амперная характеристика лазерного диода

Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (Рис.14).

К основным характеристикам ЛД, определяющим возможность их использования в системах связи и передачи информации относятся:

— мощность излучения и ее зависимость от тока модуляции;

Ватт-амперная характеристика ЛД . Это зависимость мощности излучения от тока накачки.

При малых Iн наблюдается спонтанное излучение. Когда Iн увеличивается потери в структуре становятся соизмеримыми с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное (стимулированное) излучение. ВАХ – нелинейная.

По этой причине модуляция выходного излучения аналоговым сигналом без специальных мер линеаризации ВАХЛД невозможна (сложно и дорого).

Обычно применяют импульсные методы модуляции, тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.

При изменение температуры окружающей среды происходит сдвиг ВАХ. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используют электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Для ВОСП используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100 мкм, то излучение может достигнуть 100мВт. В ВОСП этого не требуется.

Диаграмма направленности оптического излучения лазера несимметрична, её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости, параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости.

Рисунок 1.14 Диаграмма направленности оптического излучения лазерного диода:

а — ширина излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях;

б – зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.

На рисунке 1.14 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует ее эффективному вводу в ОВ с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

Спектр излучения. В спектральной области, где можно определить коэффициент усиления резонатора существуют только такие продольные моды, для которых длина пробега света в резонаторе туда и обратно равна целому числу длин волн. Интервал между соседними модами определяется выражением:

где n -коэффициент преломления;

L –длина резонатора;

λ- номинальная длина волны;

Так при λ=0,9 мкм, n=3,6 и L=300 мкм интервал между соседними модами составляет ∆λ=0,4нм.При этом ширина линии излучения одной моды не превышает 0,01нм.

Рисунок 1.15.Спектральная характеристика излучения лазера

Для снижения числа генерируемых мод используются дифракционные решетки. Излучатель, содержащий такую решетку, получил название лазера с распределенной обратной связью (РОС).

Если дифракционную решетку расположить вне области накачки создается лазер с распределенным бреговским отражателем (РБО).

В лазерах РБО генерируется только одна продольная мода, что делает их удобными при работе по одномодовому оптическому волокну в системах передачи со спектральным разделением каналов. Но они дороже, т.к. требуют высокой точности обработки.

Рисунок 1.16. Спектр ЛД с распределенным бреговским отражением

Срок службы и надежность. Проблема долговечности и надежности ЛД остается сложной и не до конца решенной. Для ВОСП требуются лазеры со сроком службы > 10 5 и высоким КПД. На рисунке 1.17 показано изменение ВАХ ЛД при разных сроках непрерывной работы (0; 4000; 6000; 8000; 10000 часов) с излучаемой мощностью 5 мВт.

Рисунок 1.17. Ватт-амперная характеристка ЛД при непрерывной работе.

Оглавление

• Главная
• Электронные документы
• Структура рабочей программы по части ВОСП очного/заочного отделения
• Самостоятельная работа
• Библиография
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
• 1.1 Принцип построения ВОСП. Активные компоненты ВОСП
• 1.2 Источники оптического излучения
• 1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД
• 1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные
• Лабораторная работа №7
• Лабораторная работа № 9
• Тест»Источники оптического излучения»
• 1.2.3 Передающие оптические модули
• 1.3 Модуляция и демодуляция оптической несущей
• 1.4 Фотоприемники оптических систем передачи
• 1.4.1 Фотодетекторы. Виды ФД. Требования к фотодетекторам
• 1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n
• 1.4.3 Конструкция, принцип действия ЛФД (APD)
• Лабораторная работа № 8
• Тест » Фотоприемники»
• 1.4.4 Приемные оптические модули
• 1.5 Пассивные компоненты ВОСП
• Практическая работа № 3
• Тест» Пассивные компоненты»
• 1.6 Линейны коды ВОСП
• 1.6.1 Особенности построения линейных кодов ВОСП.
• 1.6.2 Требования к линейным кодам ВОСП.
• 1.6.3 Классификация линейных кодов ВОСП.
• Практическая работа № 4
• ГЛАВА 2.ОБОРУДОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧ
• 2.1 Оборудование линейного тракта системы ИКМ-120-4/5
• 2.2. Оборудование XDM производства компании ECI Telecom
• 2.2.1 Характеристика выбранного оборудования
• 2.2.2 Характеристика полки XDM-500 и входящих в нее плат.
• 2.3 Выбор оптического интерфейса. Сменные модули XDM-500
• ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ WDM
• 3.1. Эволюция ВОСП.
• 3.2 Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM).Классификация WDM систем
• 3.3. Канально-частотный план. Преимущества и недостатки систем передачи WDM
• 4. ОБОРУДОВАНИЕ ВОСП DWDM.
• 4.1. Назначение, область применения. Компоненты систем передачи DWDM
• 4.2 Компоненты системы DWDM
• 4.3. Многоволновые оптические интерфейсы.
• 5. МОНТАЖ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ СИСТЕМ.
• 5.1. Тестируемые компоненты WDM. Оптические источники и приемники тестирования
• 5.1.1Оптические источники для тестирования
• 5.1.2 Приемники для тестирования
• 5.2.Основные контролируемые параметры компонентов системWDM, их тестирование
• 5.3 Инсталляция систем WDM.
• 5.3.1 Тесты на сетевую совместимость
• 5.3.2 Тесты при пуско-наладочных работах и вводе в эксплуатацию
• 5.3.3 Тесты при техническом обслуживании и мониторинге
• 5.3.4 Тесты на совместимость с оборудованием других производителей
• 5.3.5 Тесты на целостность внутренних соединений сети
• 5.4 Ввод систем WDM в эксплуатацию
• 5.4.1 Передатчики
• 5.4.2 Приемники
• 5.4.3 Оптические усилители
• 5.4.4 Мультиплексоры и демультиплексоры
• 5.4.5 Тестирование системы в целом
• 5.4.6 Обработка сообщений о неисправностях
• 5.5 Техническое обслуживание систем WDM.
• 5.6 Мониторинг системы WDM
• Тест » Технология оптического мультиплексирования WDM»

Пороговая плотность тока что это

Acrobat Distiller 8.1.0 (Windows)

uuid:bb40fb0b-ccd9-49fb-9673-842bfafbb77c uuid:e84fb4a7-2ef4-42ea-a6da-405c2ccdbaaf endstream endobj 43 0 obj > endobj xref 0 44 0000000000 65535 f 0000068081 00000 n 0000068208 00000 n 0000068435 00000 n 0000076475 00000 n 0000076602 00000 n 0000076875 00000 n 0000110170 00000 n 0000308406 00000 n 0000308889 00000 n 0000308961 00000 n 0000309445 00000 n 0000309519 00000 n 0000309649 00000 n 0000309904 00000 n 0000330569 00000 n 0000331053 00000 n 0000331127 00000 n 0000331257 00000 n 0000331573 00000 n 0000351867 00000 n 0000352333 00000 n 0000352555 00000 n 0000352840 00000 n 0000352903 00000 n 0000353387 00000 n 0000353461 00000 n 0000353875 00000 n 0000354035 00000 n 0000354262 00000 n 0000354909 00000 n 0000355440 00000 n 0000355920 00000 n 0000360271 00000 n 0000360677 00000 n 0000360835 00000 n 0000367826 00000 n 0000367862 00000 n 0000367895 00000 n 0000367974 00000 n 0000368008 00000 n 0000368178 00000 n 0000368297 00000 n 0000371845 00000 n trailer > startxref 116 %%EOF

Пороговый ток лазеров на двойной гетероструктуре и лазеров с квантовыми ямами

1. Пороговый ток лазеров на двойной гетероструктуре и лазеров с квантовыми ямами

Geff = Гg
ДГС, L=100 nm, Г 0.1
Кв. яма, Lz=10 nm, Г→ 0
мода не удерживается в тонком слое
Фактор опт. ограничения Г
Структура с раздельным ограничением
носителей и моды (РО ДГС)
Толщина активного слоя d, мкм
LSCH =100 nm, Lz=10 nm, Г=0.01

2. Сравнение плотностей пороговых токов лазеров ДГС и РО ДГС с квантовой ямой

e
Выражение для порогового тока:
J th
L( z )
scat 1 1
ln
fc
i
l R
j0 L( z )
i
N
P
h
Зонная диаграмма структуры РО ДГС
при большом прямом смещении
jo = 4 103 A/cм2 мкм, 4.4 10-2 мкм см/A, l = 500 мкм, Г=0.1, L=0,1 мкм
Оценка для ДГС:
(300 K)
4 103 0.1
0.1
J th
1
1 4.4 10-2
10
1
1
10 0.1 0.1 5 10-2 ln 0.3
= 400 A/cm2 + 2.3[10 + 100 + 200] A/cm2 = 400 A/cm2 + 700 A/cm2 = 1.1 kA/cm2
Оценка для РО ДГС
с КЯ:
jo = 4 103 A/см2 мкм, 8 10-2 мкм см/A, l = 500 мкм, Г=0.01, Lz=10nm
4 103 10-2
10-2
J th
1
1 8 10-2
10
1
1
10
ln
10-2 10-2 5 10-2 0.3
= 40 A/cm2 + 0.13[10 + 1000 + 2000] A/cm2 = 40 A/cm2 + 390 A/cm2 = 430 A/cm2
В РО ДГС КЯ лазерах плотность пор. тока можно существенно снизить при увеличении длины резонатора
и минимизации потерь.

3. Структуры РО ДГС с набором (несколькими) КЯ

Плотность порогового тока,
кА/см2
Зонная диаграмма:
l =250 мкм
l =1000 мкм
3
9
6
Число КЯ
В лазерах большой длины с одной КЯ минимальный пороговый ток
→ для лазеров большой мощности
Структуры с несколькими КЯ
→ лазеры для связи (высокая граничная частота модуляции)
12

4. Температурная зависимость плотности порогового тока РО ДГС лазеров с КЯ

Оже коэффициент
Нормированная плотность порог. тока
ln [ J(T) / J(0) ]
Температурная зависимость плотности порогового тока РО
ДГС лазеров с КЯ
Lz
Температура, °С
J пор Т J 0 exp T / T0
• С ростом темпаратуры включается Оже-рекомбинация
что ведет к росту порогового тока (особенно в КЯ
GaInAsP!)
• Вклад в рост тока дает также утечка носителей из КЯ
в волноводный слой
Jth = Jизл + JОже +
Jутечка
Оже коэффициент
Температура, °С
Толщина КЯ, Ǻ

5. Влияние внутренних напряжений на величину усиления и пороговый ток лазеров с КЯ

Плотность порогового тока, А/см2
Влияние внутренних напряжений на величину усиления и
пороговый ток лазеров с КЯ
линия согласования
параметров решетки
InGaAsP с InP
точка согласования на
длине волны 1,55 мкм
сжатый
cлой InGaAsP
(compressive)
Сжатый
InGaAsP
растянутый
cлой InGaAsP
(tensil)
Не напряженный
InGaAsP
Растянутый
InGaAsP
Растяжение
Напр.
%
Сжатие

6. Мощные лазеры РО ДГС КЯ: Выбор структуры и ограничения

Как обеспечить большую мощность?
1. Выбрать структуры с минимальным пороговым током
одна КЯ и большая длина рез-ра (!)
4
Выходная мощность
3
2. Обеспечить максимальную дифференциальную
эффективность
ext i
5
2
1 / l ln 1 / R
scat fc 1 / l ln 1 / R
высокое качество материала ( i)
низкие потери .
3. Устранить деградацию зеркал
покрытие зеркал
1
Ток накачки
4. Обеспечить хороший отвод тепла
большая длина рез-ра, качественная пайка
на теплоотвод

7. Выбор параметров структуры РО ДГС лазеров с КЯ: Эффективный размер поперечной моды Lz/Г

Зависимость порога деградации зеркала
от длины волны (или состава тв. р-ров):
Выходная мощность принципиально ограничена
катастрофической деградацией зеркал:
Pmax (CW )
Lz
w PCOMD
Длина волны
730 nm
810 nm
980 nm
Эффективный размер поля Lz/Г, мкм
w- ширина полоска
InGaAsP/InP
λ = 0,97 мкм
PCOMD
10 MW/cm2
17 MW/cm2
18 MW/cm2
Lz
L
w
Для обеспечения максимальной мощности размер
Lw должен быть как можно больше, но максимальный
размер ограничен появлением мод высокого порядка !!
Lw , мкм
Дополнительное требование
— лазер должен работать на основной моде.

8. Метод селекции основной поперечной моды — выбор положения КЯ в пределах волноводного слоя

Метод селекции основной поперечной моды выбор положения КЯ в пределах волноводного слоя
AlGaAs
InGaAs
GaAs
Ширина запрещенной зоны, эВ
Интенсивность поля моды
Симметричный волновод с асимметричным
расположением КЯ:
Координата, мкм
Асимметричное
расположение
КЯ
позволяет
уменьшить
фактор
перекрытия усиления с модами высокого порядка и эффективно
подавлять их генерацию.

9. Ограничение внутренних потерь в лазерах высокой мощности

n
p
Поглощение на св. носителях в волноводном слое
Поглощение на св. носителях:
в n-эмиттере
в p-эмиттере
Зависимость концентрации носителей
в волноводном слое от плотности тока
и числа квантовых ям в активной области
Интенсивность, отн. ед.
Рост концентрации носителей с током:
Длина волны, нм
Плотность тока накачки, А/см2
1- 7, 2-71, 3- 357, 4-1070
Плотность тока, кА/см2

10. Селекция основной моды и уменьшение внутренних потерь в асимметричных волноводах

Интенсивность поля моды
Показатель преломления
Селекция основной моды и уменьшение внутренних
потерь в асимметричных волноводах
Толщина слоя InGaP, мкм
— — — симметричный Lw=1.7 мкм
асимметричный
Lw=0.7 мкм
Плотность тока, кА/см2
Потери в волноводе, см-1
основная мода
первая мода
Внешняя диф. эффективность
Потери, см-1
Координата, мкм

11. Пример: Характеристики сверхмощного лазера РО ДГС лазера с одной КЯ (рекордный результат, ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

80
16
14
60
T = 20 C
12
50
10
w=100 мкм
8
L=3 мм
AR(5%)/HR(95%) 6
Ith=280мA
4
d=88%
2
40
30
20
10
0
0
5
10
15
Ток накачки , A
20
0
Мощность излучения, Вт
Непрерывный режим
70
КПД , %
18

12. Мощные лазеры, импульсный режим

Мощность, Вт
1, 3 – расчет
2,4 — эксперимент
1,2 – длина волны 1,04 мкм
3,4 – длина волны 1,76 мкм
Плотность тока, кА/см2

13. Дальнее поле излучения и срок службы РО ДГС лазеров с КЯ высокой мощности

Поле в плоскости
Мощность, Вт
Интенсивность, отн. ед.
Поперечное поле
Температура теплоотвода 65 С
Выходная мощность 4 Вт
Ток накачки 5 А
Угол в дальнем поле, град
Время, часы
Эквивалентно 50 000 часам при 20 C !!

14. Сравнение модуляционных характеристик лазеров ДГС и РО ДГС с КЯ

Амплитуда отклика, дБ
Максимум усиления, см-1
Набор напряженных КЯ p-типа
Плотность носителей, 1018 см-3
В напряженных КЯ при малой величине усиления
наклон зависимости g(n) большой
большое дифференциальное усиление dg/dn
ДГС
РО ДГС КЯ
Напряженная
КЯ
Частота, ГГц
Лазеры РО ДГС с набором напряженных КЯ
работают при малом усилении в каждой яме
максимальное dg/dn
максимальная граничная частота

15. Сравнение граничных частот модуляции ДГС и РОДГС КЯ лазеров

Граничная частота модуляции,
ГГц
Сравнение граничных частот модуляции ДГС и РОДГС КЯ
лазеров
QW – quantum well =
квантовая яма
Дата публикации
• Рекордные значения граничной частоты достигают 40 ГГц !!
(дальнейшее увеличение частоты не происходило, переход к «внешним» модуляторам)
• У лазеров InGaAsP/InP с КЯ, используемых в системах оптической связи
(λ = 1,3 — 1,5 мкм), граничные частоты до ~ 25 ГГц

16. Влияние толщины волноводного слоя РО ДГС КЯ лазера на частотные характеристики

Схема транспорта носителей в РО ДГС КЯ
лазерах:
Амплитуда отклика, дБ
Влияние толщины волноводного слоя РО ДГС КЯ лазера
на частотные характеристики
LSCH
Время доставки и захвата электронов
и дырок в КЯ — конечное. Чем меньше
это время, тем шире полоса модуляции.
Это подтверждают результаты экспериментов на лазерах с разной толщиной
волноводного слоя LSCH.
Амплитуда отклика, дБ
Частота, ГГц
LSCH
Частота, ГГц

17. Влияние времен захвата (c) и выброса (e) носителей в/из КЯ на частотную характеристику лазера

Влияние времен захвата ( c) и выброса ( e) носителей
в/из КЯ на частотную характеристику лазера

18. Влияние нелинейного усиления на частотную характеристику лазера

19. Влияние паразитных элементов структуры и цепи питания на частотные характеристики лазеров

Амплитуда отклика, дБ
Результаты моделирования:
Паразитные элементы цепи питания лазера
Схема монтажа высокочастотного лазера:
Частота, ГГц
Lp — паразитная индуктивность проволочки
подвода питания
Сp — паразитная емкость (контакты и барьерная
емкость структуры)

20. Оптимизированная структура лазера InGaAsP/InP (λ= 1,55 мкм) с волноводным слоем p-типа

Преимущества такой структуры:
•При сильном p-легировании волноводного
слоя время транспорта — наименьшее
(определяется только движением электронов)
• Дифференциальное усиление максимально
большое из-за большого числа КЯ (10 шт.)
Амплитуда отклика, дБ
Схема структуры с набором
КЯ и волноводом p-типа:
Частота, ГГц