Lasery - konstrukcje i parametry. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 1

Transkrypt

1 Lasery - konstrukcje i parametry Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 1

2 Źródło światła (laser półprzewodnikowy) Optyczna moc wyjściowa (mw) P I th I o nachylenie = współczynnik modulacji (mw/ma) zmodulowany optyczny sygnał wyjściowy Prąd wejściowy (ma) Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mw/ma). Ze względu na wymaganą jakość transmisji preferowane są lasery DFB ze stabilizacją temperatury (układ Peltiera). Najczęściej stosowana długość fali 1310nm. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 2

3 Blokowy schemat nadajnika wejście w.cz. automatyczna regulacja wzmocnienia wzmacniacz w.cz. Predistorter zasilanie stałoprądowe stabilizator mocy stabilizator temperatury dioda laserowa światłowód - wyjście optyczne Wzmacniacz w.cz. do uzyskania optymalnego sygnału modulacji lasera ARW dla uniezależnienia się od poziomu wejściowej mocy w.cz. Predistorter dla kompensacji (znanych błędów modulacji) Układy stabilizacji zasilania DC (fotodioda kontrolna) i temperatury (układ Peltiera). Czas pracy (MTFB) > 10 6 h Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 3

4 Warunki uzyskania akcji laserowej 1. Obecność stanów metastabilnych w materiale 2. Pompowanie atomów do stanów metastabilnych 3. Inwersja obsadzeń 4. Emisja wymuszona 5. Optyczne sprzężenie zwrotne Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 4

5 Klasyfikacja laserów 1. Lasery na ciele stałym: czynnik laserujący umieszczony jest w matrycy ciała stałego. Przykłady: lasery neodymowy-yag <Yttrium Aluminum Garnet> 1,064 um, rubinowy 2. Lasery gazowe Atomowy He-Ne, 632,8 nm Cząsteczkowy (molekularny) CO 2, 10,6 um Jonowy Ar +, podstawowe długości fali 488, 514 nm Ekscymerowe (Ekscymery zjonizowane fluorki gazów szlachetnych) ultrafiolet 3. Lasery barwnikowe zawierają barwnik organiczny w ciekłym roztworze. Lasery te umożliwiają strojenie długości fali; zkres widzialny i bliska podczerwień. Zakres strojenia zależy od użytego barwnika Rodamina 6G umożliwia strojenie nm. 4. Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) 5. Lasery światłowodowe 6. Lasery na swobodnych elektronach (FEL) Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 5

6 Zastosowania laserów półprzewodnikowych komunikacja drukowanie, poligrafia obróbka materiałów układy pomiarowe, badania naukowe gromadzenie, przechowywanie danych (CD-ROM) pompowanie optyczne medycyna wskaźniki, czytniki kodów paskowych, poziomowanie, geodezja prototypy nowych urządzeń Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 6

7 Zalety i wady laserów w systemach światłowodowych Zalety Promieniowanie koherentne, spójne i skolimowane modulacja z dużą szybkością (możliwe impulsy sub-fs) duże moce wyjściowe i łatwość sprzężenia ze światłowodem Wady Cena (wyższa od ceny LED). Wysokiej jakości lasery są wyposażone w chłodziarki Peltiera, układy kontroli mocy i stabilizatory długości fali. Otrzymanie wybranej długości fali wymaga doboru specyficznego materiału. Strojenie jest wolne i obejmuje wąski zakres spektralny. Charakterystyki modulacji są nieliniowe. Modulacja analogowa utrudniona. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 7

8 Przejścia dwu i wielopoziomowe Energia absorpcja energii zewnętrznej Energia absorpcja energii zewnętrznej foton fonon Czas Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 8

9 Laser He-Ne, konstrukcja Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 9

10 Laser He-Ne, zasada działania Ośrodek aktywny Laser He-Ne wykorzystuje mieszaninę gazów helu i neonu o ciśnieniu od kilku dziesiątych do kilku torów. Dokładne ciśnienie zależy od średnicy rury. Mieszanina zawiera od pięciu do dziesięciu razy więcej helu niż neonu. Gazem świecącym jest neon. Pompowanie Energia wzbudzenia atomów neonu pochodzi z wyładowania elektrycznego. W warunkach ustalonych przez gaz płynie prąd kilku miliamperów przy napięciu 1-2kV. Inwersja obsadzeń Elektrony w wyładowaniu zderzają się z atomami helu i neonu wzbudzając je do wyższych poziomów energetycznych. Większość energii przekazywana jest atomom helu, energia ta jest następnie przekazywana atomom neonu. W rezultacie tych oddziaływać tworzy się stan inwersji obsadzeń, gdy wyższe stany energetyczne są gęściej obsadzone niż niższe. Emisja W trakcie emisji wymuszonej atomy neonu przechodzą ze wyższych stanów energetycznych do niższych emitując światło 632,8 nm. Możliwe są również inne długości fali. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 10

11 Schemat blokowy układu zasilania lasera He-Ne W warunkach ustalonych zasilacz zapewnia przepływ prądu przez mieszaninę gazów, zapewniając inwersję obsadzeń niezbędną do uzyskania akcji laserowej. Napięcie wejściowe jest najpierw zwiększane przez transformator. Wzbudnica dostarcza impulsu wysokiego napięcia które inicjuje wyładowanie w gazie. Układ prostownika zamienia napięcie zmienne na stałe oraz dodatkowo podnosi napięcie. Rezystor balastowy ogranicza prąd do bezpiecznego poziomu. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 11

12 Pompowanie w laserze półprzewodnikowym - polaryzacja złącza n type junction p type n type junction p type Conduction band Conduction band Electron energy E g E g hν Valence band Valence band Inne (niż prądowe w złączu pn) metody pompowania: optyczne, wiązką elektronową, - + Diody laserowe można wykonać w półprzewodnikach z przerwą (energetyczną) prostą, np. GaAs, InGaAs, GaN, InGaAs, InGaAsP. Lasera nie można wykonać z półprzewodników z przerwą skośną, np. Si, Ge. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 12

13 Laser w homostrukturze półprzewodnikowej Prąd Zwierciadło (łupane) Złącze Wyjściowa wiązka światła Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 13

14 Laser w heterostrukturze półprzewodnikowej P i N N n Buried heterostructure (BH) laser Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 14

15 Zależność mocy od prądu lasera [mw] P wy I th [ma] I Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 15

16 Astygmatyzm wiązki lasera półprzewodnikowego l λ /w λ /l w Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 16

17 Charakterystyki laserów półprzewodnikowych Voltage [V] Power [W] intensity 0.5 FWHM = 2 nm Current [A] wavelength [nm] Intensity Perpend. 40 deg. Parallel 10 deg Angle (degrees) Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 17

18 Lasery DBR i DFB W klasycznym laserze sprzężenie zwrotne realizowane jest przy pomocy rezonatora Fabry-Perota. Wady laserów FP 1. Łupanie lub trawienie tworzy problemy technologiczne. 2. W rozseparowanych strukturach przepływ ciepła jest utrudniony Distributed Bragg Reflectors p n podłoże GaAs Distributed Feed-Back p n podłoże GaAs Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 18

19 Odbicie Bragga d d d θ θ d sinθ 2 d sin θ = νλ, ν = 1, 2, 3,... Siatka Bragga działa jak zwierciadło jeżeli θ = 90 o Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 19

20 Schemat lasera DFB Λ 3 µm 3 µm GaAs Al 0.3 Ga 0.7 As DFB (distributed feedback)- z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym podłoże GaAs Warunek Bragga dla reflektora: 2 Λ = ν λ, ν = 1, 2, 3,... gdzie: λ = λ o /n światłow Siatka odbija efektywnie falę o długości λ o = 2 Λ n światłow /ν Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 20

21 Efektywność działania siatki (zwierciadła Bragga) Czynniki wpływające na efektywność odbicia zwierciadeł Bragga: grubość światłowodu (t), głębokość rowka (a), długość siatki. z = 0 z = L Λ n c x = 0 x = -a n f n s x = -t g Współczynnik sprzężenia modów i współczynnik odbicia zwierciadeł otrzymamy analizując strukturę przy pomocy teorii modów sprzężonych: Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 21

22 Reflektory Bragga wyższych rzędów (n > 1) Dla wyższych rzędów dyfrakcji Bragga efektywności działania zwierciadeł są mniejsze ponieważ część energii wycieka do wiązek pasożytniczych rzędów pośrednich. ν =2 ν =1 ν =2 ν =1 ν =3 ν =1 ν =1 ν =0 ν =2 ν =0 ν =3 ν =0 ν =4 ν =0 a) b) c) d) Dla rzędów dyfrakcji > 1 występują straty związane z wypromieniowaniem energii na zewnątrz światłowodu. Dla drugiego rzędu dyfrakcji (Rys. b) sprzężenie z wiązką pasożytniczą jest bardzo silne. Z tego względu, jeżeli nie udaje się wykonać siatki pierwszego rzędu, należy korzystać z siatki rzędu trzeciego (Rys. c) Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 22

23 Technologia wytwarzania siatek w laserach DFB Siatki można wytwarzać metodami trawienia chemicznego lub jonowego. W każdym przypadku wytworzona siatka może być źródłem defektów. Struktury wytwarza się w taki sposób aby wpływ dyslokacji minimalizować. Jedną z metod jest wytworzenie złącza dyfuzyjnego pod siatką. Inną metodą jest rozdzielenie obszaru aktywnego i obszaru siatki. Generacja wzoru siatki: maski elektronograficzne lub holografia Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 23

24 Profil wiązki lasera VCSEL i lasera krawędziowego wiązka eleiptyczna lasera krawędziowego wiązka kołowa lasera VCSEL Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 24

25 Laser typu VCSEL Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 25

26 Różne typy laserów półprzewodnikowych i ich prądy progowe 1. Homostruktura, gęstość prądu progowego (300K) A/cm 2 2. Pojedyncza heterostruktura. (300K) A/cm 2 3. Podwójna heterostruktura (300K) 500 A/cm GRINSCH (Graded-index separate confinement heterostructure), prąd progowy ~30mA 5. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), prąd progowy ~1mA Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 26

27 Moc lasera w liniowych łączach światłowodowych Moc lasera określona jest przez następujące parametry: efektywność chipu lasera (zależy od długości fali i konstrukcji, ~0,5 mw/ma, rośnie w miarę postępów technologii) efektywność sprzęgania światłowodu z laserem (efektywność <1 w wyniku astygmatyzmu wiązki, niedopasowania poprzecznych rozkładów pola, straty wewnętrznego izolatora, obecnie w urządzeniach komercyjnych efektywności dochodzą do 70%) prąd lasera (zwiększenie prądu lasera prowadzi do zwiększenia mocy wyjściowej, przy zbyt dużych prądach pojawiają się jednak nieliniowości; prądy nie przekraczają zwykle 100mA, a moce wyjściowe 50 mw) Uwaga: maksymalne parametry uzyskiwane w laboratoriach są około 20 do 50% lepsze od parametrów katalogowych przyrządów komercyjnych. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 27

28 Półprzewodnikowe lasery strojone Po co? Sieć optyczna w której każdy kanał lub port obsługiwany jest przez element dostosowany do określonej długości fali są kosztowne i skomplikowane w obsłudze. Wiele elementów dyskretnych może być zastąpionych przez jeden strojony. Metody strojenia laserów 1. Zmiana optycznej długości rezonatora lub stałej siatki Bragga za pomocą prądu 2. Wybór fali za pomocą zewnętrznego elementu dyspersyjnego 3. Wykorzystanie zintegrowanych mikro-zwierciadeł MEMS Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 28

29 Niezawodność nadajnika optycznego Czas życia nadajnika t F - określany jako MTTF (mean time to failure) Najbardziej zawodny element nadajnika - źródło laserowe MTTF nadajnika powinien być lepszy niż 10 5 (ok. 11 lat) Korzystając z parametru MTTF, zakładamy eksponencjalną zależność prawdopodobieństwa awarii: P F exp t = t F Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 29

30 t Degradacja źródła Degradacja diody luminescencyjnej (LED) i diody laserowej może przyjąć dwie postacie: 1. degradacja katastrofalna (gwałtowna) 2. degradacja stopniowa Celem testów fabrycznych jest przede wszystkim wyeliminowanie elementów które mogą ulec degradacji katastrofalnej. Test prowadzi się poprzez starzenie wstępne (burn-in test) - przez krótki okres czasu laser pracuje w podwyższonej temperaturze (np. 60 C) i podwyższonym prądzie zasilania. Zakłada się, że wadliwe elementy ulegną w czasie testu awarii. W dobrych elementach nastąpi stabilizacja parametrów. Wyniki testów starzeniowych ekstrapoluje się do warunków normalnych korzystając z zależności Arrehnniusa: F E = a t0 exp kbt t 0 -stała, E a - energia aktywacji ~1eV, k B - stała Boltzmana, T - temperatura bezwzględna Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 30

31 Konstrukcja modułu laserowego podstawa laser uchwyt soczewki uchwyt izolatora osłona płytka przesuwna soczewka izolator mocowanie włókna Mocowanie włókna laser soczewka izolator włókno lut pokrycie włókna H. van Tongeren, et al., IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology - Part, vol. 18, (1995) 227. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 31

32 Charakterystyka źródła DWDM 1. Zintegrowany we wspólnej obudowie laser i modulator M.-Z. Nadajnik umożliwia transmisję 10 Gb/s na odległość 80 kmwe włóknie NDSF lub 480 km we włóknie DSF. 2. Sterowany chirp. Poprzez sterowanie modulatorem M.-Z (polaryzacja DC ramion), źródło może generować impulsy z ujemnym lub dodatnim chirpem, co umożliwia kompensację dyspersji chromatycznej włókna. 3. Wewnętrzny stabilizator długości fali (wavelength locker ) zapewniający stabilizację +/- 20 ppm. 4. Sterowany tłumik mocy wyjściowej. 5. Zwarta struktura - laser, modulator, tłumik i wavelength locker w jednej obudowie. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 32

33 Optoelektronika zintegrowana - źródło światła dla systemu łączności WDM + 25ºC - 100nF 2Ω 43Ω 470pF 100nF 100nF 2Ω 43Ω 470pF Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 33

34 Obudowy 9mm and TO18 TO-18 Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 34

35 Obudowa C-mount Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 35

36 Obudowa TO-3 Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 36

37 Obudowa HHL Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 37

38 Obudowa FCA Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 38

39 Obudowa specjalna laser bar package Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 39

40 Bezpieczeństwo pracy z laserami - klasyfikacja Klasa I: Lasery światła widzialnego, uważane za bezpieczne nawet przy spoglądaniu w wiązkę. Dopuszczalna moc < 0,4 µw Klasa II: Lasery światła widzialnego małej mocy (pracy ciągłej lub impulsowe o dużej częstości powtarzania) dla których krótkie spojrzenie w wiązkę nie uszkadza oka. Moc poniżej 1 mw dla λ=0,6µm Klasa IIIa: Lasery średniej mocy. Zogniskowana wiązka może uszkodzić oko. Moc 1 do 5 mw dla λ=0,6µm. Klasa IIIb: Lasery średniej mocy. Odbite światło rozproszone nie stanowi zagrożenia. Lasery nie tworzą zagrożenia pożarowego. Dla światła widzialnego (laser Ar) moc 5 do 500 mw. Klasa IV: Lasery dużej mocy. Nawet światło rozproszone jest groźne. Lasery tworzą zagrożenie pożarowe. Uwaga: Moc bezpieczna zależy od długości fali - im krótsza długość, tym dopuszczalna moc mniejsza. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 40

41 Pytania kontrolne 1. Co to jest astygmatyzm wiązki laserowej, ile wynosi i jak zależy od konstrukcji diody laserowej? W jaki sposób możemy go zmniejszyć lub zlikwidować? Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 41