Что относится к системам накачки ппл
8.2. Типы лазеров и способы накачки
Классификация лазеров (рис. 8.3) производится с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки).
Рассмотрим различные типы лазеров и соответствующие им способы накачки.
Из перечисленных (рис. 8.3) способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа – оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред – диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться также как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разреженных газообразных активных средах, при давлениях 1 – 10 мм рт. ст. Соответствующие типы лазеров (на атомных переходах, ионные, молекулярные) объединяют общим термином газоразрядные лазеры. Наряду с твердотельными, жидкостными и полупроводниковыми, газоразрядные лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники.
Рассматривая способы накачки, надо иметь в виду, что один и тот же способ может допускать, в свою очередь, два вида накачки – импульсную и непрерывную. Так, для оптической накачки используют как газоразрядные импульсные лампы, так и лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют как импульсные разряды, так и стационарные (квазистационарные). При импульсной накачке энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импульсами, а при непрерывной накачке – непрерывно, стабильно.
Импульсная накачка обладает рядом преимуществ по сравнению с непрерывной. При импульсной накачке, когда инверсия реализуется лишь в течение некоторых промежутков времени, может оказаться несущественным требование быстрого очищения нижнего рабочего уровня. Предположим, что при включении светового импульса накачки скорость, с какой заселяется верхний рабочий уровень, оказывается выше скорости заселения нижнего рабочего уровня. В этом случае лазер может работать за счет инверсии, возникающей в начале импульса возбуждения. Подобная ситуация показана на рис. 8.4. Из рисунка видно, что инверсия реализуется в начале импульса возбужде
ния – в течение промежутка времени . Ясно, что в данном случае скорость очищения нижнего рабочего уровня несущественна.
Приведенный пример поясняет, почему при использовании импульсной накачки возможно получение генерации в большем числе активных сред и на большем числе переходов в данной среде, нежели при непрерывной накачке. Говоря о преимуществах импульсной накачки, надо отметить и тот факт, что ее легче реализовать технически. Непрерывный и притом достаточно стабильный подвод энергии возбуждения к активной среде, как правило, технически сложнее импульсного. Кроме того, при импульсной накачке обычно отпадает необходимость в принудительном охлаждении нагревающегося активного элемента.
По типу активной среды различают лазеры (рис. 8.5): газовые; лазеры; твердотельные, к которым можно отнести также полупроводниковые лазеры. В газовых лазерах (ГЛ) активной средой является газ или смесь газов, возбуждаемые газовым разрядом. Инверсия населённостей создаётся в результате избирательного возбуждения энергетических уровней, находящих
ЛАЗЕРЫ
Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения, обладающего совершенно уникальными свойствами: 1) высокой когерентностью в пространстве и во времени, 2) исключительно узкой направленностью (расходимость пучка может быть близкой к дифракционному пределу), 3) огромной концентрацией мощности (до 1011 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 101Х Вт/см2 в импульсе), 4) высокой степенью монохроматичности (спектральная ширина линии генерации ДА. = 10_Ч нм нри X = 500 пм), 5) способностью фокусироваться в исключительно малые объемы порядка Xі |3.53). Слово «лазер» образовано из первых букв английских слов: Light Amplification by stimulated emission of radiation (усиление света при помощи вынужденного излучения). Строго говоря, аббревиатура «лазер» в начале относилась к оптическим генераторам света, но для удобства образования сложных терминов слово «лазер» стали применять ко всему диапазону оптического спектра: УФ, видимому и И К. Фундаментальный вклад в эту новую бурно развивающуюся область пауки и техники, называемую квантовой электроникой, внесли советские ученые. Первые лазеры были созданы в 1960 г. В 1959 г. за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн, создание молекулярных генераторов и усилителей академикам Н. Г. Басову и
А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они совместно с американским ученым Ч. Таунсом за фундаментальные исследования в области квантовой электроники были удостоены Нобелевской премии по физике.
Принцип действия лазеров основан на использовании теоретически предсказанного А. Эйнштейном еще в 1916 г. процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием ихтучения, имеющего ту же частоту. Самос важное и замечательное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики jro означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив ДЛЯ все- 10 спектра электромагнитного излучения.
Вынужденное излучение в оптическом диапазоне спектра в обычных условиях значительно меньше спонтанного и поэтому практически не наблюдалось. В 1940 г. В. А. Фабрикант предложил метод прямого доказательства существования вынужденного излучения и при этом впервые обратил внимание па принципиальную возможность создания среды, не ослабляющей, а усиливающей проходящее через нее излучение [3.54J. Для этого необходимо было создать такие искусственные условия, при которых концентрация возбужденных атомов или молекул на каком-либо верхнем энергетическом уровне была бы больше, чем их концентрация па каком-либо нижнем, соответствующем оптическому переходу между ними. Такая необычная «заселенность» энергетических уровней называется инверсной, так как в обычных условиях концентрации возбужденных атомов или молекул резко убывают с ростом энергии возбужденного уровня.
Среда с инверсной заселенностью называется активной. Ихтучение с частотой, соответствующей инверсному переходу, проходя через активную среду (АС), вызывает лавину вынужденных фотонов, «летящих» строго п одном направлении, и вместо обычного ослабления получается усиление ихпучепия в направлении падающего луча. Эта идея лежит в основе многочисленных процессов квантовой электроники. Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР выдал В. А. Фабриканту. М. М. Вудынскому и Ф. А. Бутаевой диплом на открытие за № 12 с приоритетом от 1951 г. «па способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный па использовании явления индуцированного испускания».
Пространственная когерентность характеризует степень изменения фазы на всем протяжении волнового фронта в определенный момент времени. Нелазерные источники света обладают плохой пространственной когерентностью. У лазерного пучка пространственная когерентность связана с его модовой структурой. Она имеет наибольшее значение у одномоловою излучения и обеспечивает более равномерное освещение. Лазерный пучок хорошо сколлимирован, и поэтому все его ихтучение легко собрать с помошью оптики.
Ограничение на угол расходимости 0 лазерного пучка накладывается дифракцией. Оно является принципиальным. Преодолеть его путем совершенствования оптики невозможно. Дифракция определяет нижний предел угла расходимости пучка, приближенно определяемого формулой
где X — длина волны излучения, d — диаметр выходной апертуры, К — числовой коэффициент, равный 1,22 для однородных пучков, и 2 / к дли гауссовых пучков. Лазерные пучки с минимальной расходимостью называются дифракционно ограниченными. Расходимость некоторых лазеров приведена в табл. 3.53.
Значение угла расходимости наиболее распространенных лазеров [3.57]
Что относится к системам накачки ппл
Волоконно-оптические системы передачи
3 Источники оптического излучения для систем передачи
3.1 Требования к излучателям
Источник оптического излучения, излучатель – прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения. Источники оптического излучения должны отвечать определенным требованиям для успешного их применения в системах связи.
[Вт/см 2] (3.1)
где n – показатель преломления, с – скорость света, Е – напряженность светового поля [В/см].
Указанным требованиям в большой степени отвечают некоторые типы излучателей:
В отдельных случаях применение могут найти малогабаритные газовые лазеры.
Светоизлучающий прибор является центральным прибором в составе передающего оптического модуля.
3.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
3.2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи
В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 3.1) и торцевой (рисунок 3.2).
Рисунок 3.1 Конструкция поверхностного светодиода
В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.
Рисунок 3.2 Конструкция торцевого светодиода
В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.
3.2.2 Принцип действия светодиодов
Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:
(3.2)
При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).
3.2.3 Основные характеристики светодиодов
Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 Ваттамперные характеристики светодиодов
Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.
Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться [8].
Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)
Рисунок 3.4 Спектральные характеристики светодиодов
Рисунок 3.5 Угловая расходимость излучения
(3.3)
В [3, 8, 13] показано, что эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе «полупроводник – воздух» и «полупроводник – световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).
3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
3.3.1 Определение лазера
Лазер (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 (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 Двухуровневая модель процессов в лазере
В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту
(3.4)
т.е. в свободном пространстве наблюдается волна
(3.5)
где h – постоянная Планка, с – скорость света.
При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение квантов излучения (фотонов) и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением. Благодаря этому могут быть получены такие характеристики излучения как узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот.
Все три вышеуказанных процесса можно связать между собой уравнением Эйнштейна [8, 13]:
(3.6)
где E ( f ) – полная энергия поля фотонов на единицу объема материала;
А21 – коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня ЕС на уровень EV ;
В21 и В12 – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня ЕС на EV и наоборот; таким образом, произведение В12 E ( f ) характеризует вероятность поглощения, а произведение В21 E ( f ) – вероятность вынужденного излучения;
N1 и N2 – число возбужденных электронов.
Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде спонтанного и стимулированного излучения. Условие вынужденного излучения записывается:
(3.7)
При одинаковых В21 и В12 должны быть созданы условия инверсной населенности N2 > N1, что трактуется как необходимость усиления электронов (возбуждение электронов).
Таким образом, для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства
(3.8)
что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о конструкции лазера (рисунок 3.7).
Для того, чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью (N2 > N1) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f) > 1). Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими резонансную систему.
Рисунок 3.7 Общая конструкция лазера
3.3.2 Определение резонатора для 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 3.8.
Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).
Рисунок 3.8 Резонатор Фабри – Перо
Условие образования стоячих волн записывается:
(3.9)
где m = 1, 2, 3. – число полуволн.
Частотное расстояние между двумя ближайшими колебаниями определяется соотношением
(3.10)
С учетом показателя преломления среды внутри резонатора можно записать:
(3.11)
где n > 1. Также можно показать, что
(3.12)
Открытый резонатор способствует разрежению мод по сравнению с объемным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.
Важной характеристикой резонатора является его добротность [13]:
(3.13)
где R – коэффициент отражения зеркал.
Пример: L = 0,5 мм; R = 0,3; n = 3,6; l = 0,85 мкм.
Q = 5787
Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие [3]. 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.
3.3.3 Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров
Рисунок 3.9 Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной гетероструктурой
Рисунок 3.10 Характеристика лазерной генерации мощности
Точные условия лазерной генерации подробно изложены в [31]. Они основаны на решении системы дифференциальных уравнений, связывающих плотность фотонов и концентрацию носителей заряда в активном слое.
Условия лазерной генерации имеют фазовую составляющую
(3.14)
N = 1, 2, 3.
и амплитудную составляющую
(3.15)
0,33).
Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.
Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рисунок 3.11).
Рисунок 3.11 Спектральная характеристика лазера
Для излучения лазером максимальной мощности необходимо добиться совпадения максимальной мощности спектра спонтанного излучения и собственных мод резонатора. Реальная спектральная характеристика лазера Ф-П представлена на рисунке 3.12
Спектральная характеристика представляет совокупность мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).
Излучение лазера, выходящее через торец, характеризуется диаграммой направленности. Угловая расходимость когерентного излучения обусловлена фундаментальными пределами
(3.16)
(3.17)
где dx и dy – размер излучающей площадки по горизонтали и вертикали.
Реальный угол расходимости составляет:
j x
Рисунок 3.12 Спектральная характеристика лазера Ф–П
Необходимо отметить, что характеристики излучения лазера не остаются постоянными. Например, величина порогового тока сильно зависит от температуры тела лазера
(3.18)
где t i > t1. На рисунке 3.13 приведены графики зависимости порогового тока лазера от температуры.
Рисунок 3.13 Зависимость порогового тока от температуры лазера
Для снижения зависимости порогового тока лазера от температуры в конструкциях применяют микрохолодильники на основе эффекта Пельтье [112], т.е. отбора излишков тепловой энергии материалами сплавного типа при прохождении через них электрического тока определенной величины.
При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава, что при модуляции тока накачки информационным сигналом приводит к динамическому уширению спектра и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие [8].
Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще других применяют лазеры типа РОС, распределенная обратная связь (в англоязычной литературе DFB, Distributed Feed Back) и лазеры с брэгговскими отражателями РБО (в англоязычной литературе DBR, Distributed Brag Reflector); лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (в англоязычной литературе VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser).
В отличие от лазеров Ф-П в лазерах РОС и РБО положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах РОС такая связь создается благодаря распределенной структуре под названием «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).
Обратная связь в лазере РОС осуществляется за счёт брэгговского рассеяния волн на гофре, который представляет собой фазовую дифракционную решетку с очень высокой разрешающей способностью, являющейся «распределённым резонатором». Качественная картина этого процесса состоит в следующем. Волна, распространяющаяся в активном слое справа влево, испытывает частичные отражения от гофра, в результате чего образуются дифрагированные волны, распространяющиеся в противоположном направлении, т.е. слева направо.
Рисунок 3.14 Конструкция лазера РОС
Λ× n э×(1+ SinQ ) = I × λ 0, (3.19)
(3.20)
(3.21)
где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном пространстве.
Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС является спектр излучения (рисунок 3.15)
Рисунок 3.15 Спектр излучения лазера РОС
Обычно ширина спектра излучения лазера РОС оценивается на уровне –20 дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ.
Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий.
Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рисунок 3.16), в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.
Рисунок 3.16 Конструкция лазера РБО
Характеристики некоторых видов одномодовых и многомодовых полупроводниковых лазеров приведены в таблице 3.1 [79].
Таблица 3.1 Характеристики полупроводниковых лазеров