575_Vardanjan_V.A._Raschet_kharakteristicheskikh_parametrov_komponentov_VOSS__

1. Ток порога самовозбуждения

Для нахождения порогового тока ППЛ, воспользуемся формулой [1]:

где 0 – оптическая центральная частота, соответствующая λо,п = + 1 ln – пороговое значение коэффициента усиления,

А=LW – площадь перехода.

На рис. 4 показана типичная зависимость порогового тока порог от толщины активной области .

Рис. 4. Типовая зависимость порогового тока ППЛ от толщины активной области

Здесь необходимо отметить, что за счет дифракции распределение фотонов простирается также в неактивную область с каждой стороны перехода, где существует инверсная населенность, что приводит к увеличению светоизлучающего слоя по сравнению с толщиной активного слоя d. Например, в ППЛ толщина активного слоя составляет ~ 0.1-1 мкм, а область светоизлучающего слоя может составлять ~10мкм.

Сдругой стороны, как видно из формулы порогового тока (1), порог падает

суменьшением толщины d активного слоя. Однако практика показывает, что

при толщине активного слоя d менее 0,1мкм имеет место резкое возрастание

11

порогового тока. Причина этого заключается в том, что с уменьшением толщины активного слоя уменьшается эффект удержания света, распределение энергии поперечной моды распространяется на слой покрытия, коэффициент усиления поперечной моды падает. Это уменьшение удержания коэффициента света становится особенно заметным при толщине активного слоя d менее 0,1мкм.

Минимальная пороговая плотность тока Iпорог имеет место при значениях= 0,1 ÷ 0,15мкм, поэтому толщину активного слоя ППЛ обычно выбирают в

этих пределах.

2. Ватт-амперная характеристика

Полная мощность излучения ППЛ состоит из части спонтанного излучения и индуцированного излучения. Доля индуцированного излучения значительно выше, поскольку значительная его часть распространяется под прямым углом к выходным граням и многократно отражается от них, пока не выйдет наружу (см. "). Что касается спонтанного излучения, то только (1 − ) ′ часть выходит через поверхность полупроводника. Окончательно для ППЛ выходная мощность будет [2]:

При расчетах и построении ВАХ по формуле (2) необходимо учесть следующее – если < порог, то учитывается только первое слагаемое в формуле (2), а при > порог учитываются оба слагаемых (2).

12

Рис. 5. Типовая ватт-амперная характеристика ППЛ (обозначение IП соответствует пороговому току)

3.Температурная зависимость ВАХ

Сувеличением температуры увеличивается пороговое значение тока. Это явление, обусловленное температурной зависимостью коэффициента усиления, описывается приближенной формулой, полученной из экспериментов [3], [4], [5]:

где порог(Т ) – пороговый ток при стандартной температуре Т , Т0 – параметр аппроксимации, температура, присущая материалу, – характеристическая температура. Значения параметров Т и Т0 индивидуальны для каждого лазера и варьируются в широких пределах. Чем больше параметр Т0, тем в меньшей степени величина порог(Т) чувствительна к температуре. Для упрощения рас-

четов в данной работе предполагаем, что при работе лазера в непрерывном ре-

жиме Т0 = 77 [5], [6].

Как видно из рис. 5, при температурах, превышающих стандартное Т , графики ВАХ сдвигаются право. В реальных ППЛ сдвиг ВАХ из-за увеличения температуры сопровождается уменьшением наклона ВАХ, т.е. уменьшением дифференциальной квантовой эффективности. Следовательно, к лазерам, ис-

13

пользуемым в системах связи, к лазерам необходимо добавить схему автоматической регулировки мощности, которая обеспечивала бы постоянство оптического выхода. В некоторых случаях используют управление температурой с помощью встроенного в лазер микрохолодильника, т.к. стабилизация мощности еще не гарантирует стабилизацию длины волны излучения.

Таким образом, для построения температурной зависимости ВАХ необходимо рассчитать пороговые значения тока накачки с помощью (3), соответствующие температурам по варианту задания при = + ∙ ( = 1; 2). С помощью (2) и полученных значений тока накачки при разных температурах рассчитать и построить семейство ВАХ (см. рис. 5).

4. Спектральные характеристики коэффициента усиления

Коэффициент усиления в активной области определяется [1]:

( ) – формфактор линии спонтанной эмиссии перехода. В данной работе предполагается, что функциональная зависимость ( ) имеет вид лоренцовой кривой

Рассмотрим, как выглядит спектральная характеристика ППЛ (рис. 6). При малых токах накачки лазер ведет себя как СИД. Поэтому ширина спектральной линии определяется спонтанным излучением.

Увеличение тока накачки до порогового (режим суперлюминесценции) вызывает генерацию лазера. При этом мощность излучения растет до величины, где усиление компенсирует затухание (полное) в резонаторе:

п = .

Необходимо отметить, что увеличение тока накачки за порогом не приводит к увеличению коэффициента усиления, величина которого остается практически неизменной, т.к. крутизна ВАХ линейная. В полосе частот ∆ ппл, в первом приближении можно предположить, что генерируются моды, частоты которых совпадают с соответствующими частотами резонатора Фабри-Перо (см. рис.6). Как видно из рис. 6 – спектр ППЛ линейчатый.

14

Рис. 6. Спектр коэффициента усиления при разных значениях тока накачки и линейчатый спектр излучения ППЛ

Для построения спектральных характеристик коэффициента усиления необходимо рассчитать (4) для нескольких значений частоты до и после 0, принимая значение тока накачки постоянным. Представить полученные результаты

на одном рисунке для 3-х значений тока накачки I=0,7· Iпорог , Iпорог , 1,5· Iпорог (см. рис. 6).

5.Количество генерируемых мод

Вобщем случае, в ППЛ в полосе частот ∆ппл генерируется много мод,

причем ширина одной моды определяется:

15

6. Ширина эмиссионной линии при токе накачки 1,5·Iпорог

Как видно из рис. 6 спектральная характеристика излучения ППЛ – многомодовая. Максимальной мощностью излучения обладает мода, частота которой находится вблизи максимума спектра спонтанного излучения. Ширина спектральной линии этой моды значительно уже соответствующей линии резонатора Фабри-Перо, а величина определяется, в основном, временем жизни τ электрона при переходе с верхнего энергетического уровня на нижний уровень (см. рис. 3).

Для расчета ширины спектральной линии мод (эмиссионной линии) можно воспользоваться формулой Шавлова-Таунса (модифицированная) [3].

( ≈ 1 ÷ 2)

2 – количество электронов (носителей) в зоне проводимости,1 – количество носителей в валентной зоне,флукт – коэффициент линейного усиления – это отношение

флукт

изм. коэф. усиления из − за флуктуации спонт. излучения(плотность носит. )

= изм. коэф. преломления из − за флуктуации спонт. излуч. (плотность носит. )флукт ≈ −2 до − 6

В соответствии с (9) ширина спектра обратно пропорциональна выходной световой мощности. Однако в действительности даже при неограниченно большой мощности света ширина спектра не равна нулю, т.е. существует такая ширина спектра, которая не зависит от световой мощности. Для лазеров AlGaAs она составляет

∆ э ≈ 0,6 … 1,9МГц .

Обычно, ППЛ характеризуется максимальной мощностью 10 ÷ 20мВт, следовательно, ∆ э не менее чем 1,7МГц.

7. Диаграмма направленности ППЛ

На рис. 7 показан торец активной области ППЛ с шириной и высотой . На рис. 7 также показаны поперечные моды TE-поляризации 4 порядка (q=1,2,3,4), возникающие в направлении оси «x». В нашем случае > , где ширина активной области ППЛ ~0,1 ÷ 1 мкм, следовательно, можно предположить, что для оптического диапазона длин волн по направлению оси «y» возникает только одна поперечная мода.

16

Рис.7. Торец активной области ППЛ и распределение оптического поля первых нескольких поперечных моды (q=1,2,3,4)

Если предположить, что оптическое поле монохроматично, то расчет диаграммы направленности по интенсивности для нечетных (q=1,3,…) и четных мод (q=2,4,…) оптического поля выражаются [8]:

q= 2,4,… ,

(13)

Для данной работы достаточно:

–рассчитать и нарисовать диаграмму направленности по оси «y» с помощью формулы (10) и по оси «х» для q=1 моды с помощью формулы (11);

–оформить рисунок в полярных координатах. При этом достаточно взять 19 значений угла θ от -900 до +900 с шагом 100;

–определить (графическим способом) угол расходимости на половинном уровне относительно интенсивности по двум осям.

17

Рис. 8. Диаграмма направленности ППЛ в полярных координатах

8. КПД и дифференциальное сопротивление ППЛ

Если через Uп обозначить электрическое напряжение, приложенное к ППЛ, то п ∙ мощность, затрачиваемая на возбуждение лазера. К.П.Д. есть отношение мощности оптического излучения на выходе к мощности возбуждения (накачки):

18

II часть

Техническое задание по расчету энергетического бюджета ВОСП

Изучите конспект лекций, учебную литературу и с помощью методических указаний II части выполните следующие пункты согласно вашему варианту задания. Все необходимые числовые значения параметров для расчета приведены

втабл. 2:

1.Используйте рассчитанное значение мощности излучения ППЛ при

токе накачки 1,5·Iпорог из части I и переведите в дБм и, учитывая затухание по мощности, вносимое согласующим оптическим элементом αсу=10дБ, рассчитайте мощность в дБм, подводимую к точке S.

2.Учитывая потери на разъемных соединениях (в точках S и R)

αр=0,3дБ, а также потери мощности в волокне длиной LОВ и на сварных соединениях αсв=0,15дБ, рассчитайте значение оптической мощности на входе фотодетектора, если строительная длина Lстр..

3.Нарисуйте диаграмму уровней оптической мощности вдоль ОВ.

Табл. 2.

19

Методические указания по выполнению заданий II части

Как показано на рис. 8 диаграмма направленности ППЛ вследствие дифракции расширяется тем больше, чем меньше размеры излучающего торца ППЛ, т.е. расходимость излучения в вертикальном направлении будет больше расходимости излучения в горизонтальном направлении, следовательно, сечение излучения имеет форму эллипса с большой полуосью в вертикальном направлении. Так как размеры излучающей площадки ППЛ меньше диаметра сердцевины не только многомодовых, но и одномодовых ОВ, то потери на ввод излучения в волокно связаны, в основном, с превышением апертурных углов, излучения ППЛ над апертурным углом волокна.

Существует достаточно много технологических способов для эффективного ввода излучения ППЛ в ОВ. На рис. 9 в качестве примера приведена технология согласования с помощью комбинации разных линз (сферической и градиентной). Как видим, до точки S оптическое излучение проходит через линзы и кусок ОВ.

Рис. 9. Пример ввода оптического излучения в ОВ

Эффективность согласования (сопряжения) источника излучения с ОВ определяется частью общей мощности оптического излучения, введенной в ОВ. Для элементов согласования эффективность сопряжения дается следующим соотношением [9]:

= Полная мощность до сопряжения .

Восновном, в литературе приводится эффективность сопряжения с ОВ в дБ

ичасто называется потерями или затуханием при вводе. В данной работе везде предполагаем, что согласующее устройство до точки S (см. рис. 9) вносит затухание αсу=10дБ.

Вданной работе рассматриваются 2 типа соединения ОВ: разъемные и сварные (неразъемные). При соединениях ОВ возникают потери оптической мощности. Основные потери при разъемном соединении вносят радиальное (поперечное) смещение ОВ, угловое рассогласования ОВ, а также зазор между торцами ОВ внутри коннектора. Сварные соединения ОВ обеспечивают минимальный уровень оптических потерь.

20