Что же происходит внутри резонатора?

В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.

Рисунок 3.11 – Ватт-амперная характеристика лазера

При малых токах накачки (рисунок 3.11) меньше половины атомов активного слоя находится в возбуждённом состоянии, поэтому количество вынужденных фотонов мало, лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как слабоэффективный светодиод. При увеличении тока накачки возрастает инверсная населённость и при N₂>N₁ происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым (рисунок 3.9). После порогового тока резко нарастает мощность излучения и его когерентность. Такой режим работы называется лазерной генерацией

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. На рисунке 3.8 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы резонатора. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала.

Лазерная генерация возникает только при определённой длине L резонатора, кратной целому числу полуволн L = m /2, где m = 1, 2, 3…- число полуволн. При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волн и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т. е. в резонаторе образуется стоячая волна.

 

 

Рисунок 3.12 – Спектр многомодового лазера

Лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра излучения, чем СИД. Лазер Фабри-Перо называют многомодовым, т.к. в его спектре излучения (рисунок 3.12) наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы (моды). Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн в резонаторе:

L = m /2. В резонаторе Фабри-Перо это условие выполняется не только для главной моды, но и для побочных мод. Ширина спектра многомодового лазера и СИД определяется на уровне минус 3дБ от максимальной мощности (P макс/2). Широкий спектр лазерных мод приводит к появлению хроматической дисперсии в ОВ.

Для ППЛ Фабри-Перо величина угла расходимости составляет: φ_x =5-10 град., и φ_y =15-30 град.

Величина порогового тока ППЛ Фабри-Перо сильно зависит от температуры тела лазера. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает (рисунок 3.13).

Если ток накачки остаётся прежним, то выходная мощность уменьшается. Для восстановления прежней величины излучаемой мощности необходимо увеличивать ток накачки. А сильное увеличение тока накачки может привести к разрушению активного слоя ППЛ, что приводит к необходимости применения схем термостабилизации параметров лазера.

 

Рисунок 3.13–Зависимость порогового тока ППЛ Фабри-Перо от температуры

 

ППЛ Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9, является гомолазером, так как состоит из одного вида полупроводников (AsGa). Этот ППЛ имеет большой ток накачки, необходимый для генерации и сильную зависимость тока накачки от температуры тела кристалла.

Для преодоления недостатков гомолазеров Фабри-Перо разработаны различные конструкции гетеролазеров. В 1967 г. Жорес Алферов создал первые полупроводниковые гетеролазеры Фабри-Перо, имеющие гетеропереходы, подобно торцевому СИД (Рисунок 3.18). Для их работы требуется меньший ток накачки при той же выходной мощности.

Недостатком лазеров Фабри-Перо является то, что они многомодовые. Такие лазеры имеют далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуются очень высокая скорость передачи и дальность связи, они, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения критерия “цена – эффективность”.

Одномодовые лазеры

Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения.

В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр:

1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры), (DFB – Distributed Feedback);

2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер), (DBR – Distributed Bragg Reflector);

В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).

 

Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера

Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой n InP и слоем p InGaAsP. Свет дифрагирует на щелях решётки под углом j. Оптическое излучение из активного слоя попадает на ДР, преломляется ею под углом j, отражается от слоя n InP, затем через щели поступает к слою p InGaAsP, отражается от него и т.д. Из курса физики известно, что для дифракционной решётки: sinj = m × / d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн . Поэтому в таком резонаторе стоячая волна образуется только для главной моды. При этом побочные моды подавляются на 20÷40 дБ по отношению к основной. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

 

 

Рисунок 3.15 – РБО-лазер

 

Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область.

Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн.

Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM).

Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.

 

Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера

 

Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

 

Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ

Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».

 

Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо

 

В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со с ветоводом; уменьшается рабочий ток лазера.