Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy

Transkrypt

1 Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Źródła światła - klasyfikacja Klasyfikacja zwyczajowa wg. parametrów fali elektromagnetycznej źródła światła białego (słońce, żarówka) źródła monochromatyczne (LED, żarówka z filtrem) źródła światła spójnego (lasery) Klasyfikacja wg zakresu spektralnego również: źródła UV, VIS, IR, FIR Klasyfikacja wg. mechanizmu generacji jądrowe (słońce) żarowe (żarówka) fluorescencyjne ( jarzeniówka ) jarzeniowe (neony) łukowe (Hg, Xe, Na) laserowe Inne klasyfikacje: wg. polaryzacji, mocy, zastosowania,... (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 3

3 Źródła światła charakterystyka użytkowa Optyczna moc wyjściowa (mw) P I th I o nachylenie = współczynnik modulacji (mw/ma) zmodulowany optyczny sygnał wyjściowy Prąd wejściowy (ma) Charakterystyka diody laserowej Ze względu na liniową zależność P(I) diody laserowe są chętniej stosowane niż diody luminescencyjne. Wśród laserów najlepsze parametry uzyskują konstrukcje DFB i DBF Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mw/ma). (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 4

4 Klasyfikacja źródeł światła w technice światłowodowej Diody luminescencyjne (LED) diody powierzchniowe diody krawędziowe RCE LED (resonance cavity enhanced) LED Lasery (LD) lasery FP (Fabry-Perota) lasery DFB (distributed feedback) i DBR (distributed Bragg reflector) lasery VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers) lasery światłowodowe (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 5

5 Konstrukcja diody LED 125 µm multimode optical fiber epoxy adhesive negative contact N-doped GaAs substrate P-doped GaAs light emitting region SiO 2 positive contact and heat sink 50 µm 150 µm surface-emitting LED (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 6

6 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 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 7

7 Oddziaływanie fotonów z atomami - absorpcja Jądro atomu i orbitale elektronowe Poziomy energetyczne w półprzewodniku foton E 1 E 2 E 3 Energia E 3 emisja spontaniczna absorpcja E 2 E 1 elektron jądro E 3 -E 2 = h c / λ (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 8

8 Oddziaływania fotonów z atomami - emisja spontaniczna i emisja wymuszona Emisja spontaniczna hν E 3 hν Emisja wymuszona hν hν E 1 E 2 E 1 E 2 E3 Emitowane fotony mają taką samą długość fali, fazę, polaryzację i kierunek rozchodzenia się. (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 9

9 Inwersja obsadzeń absorpcja, n 1 > n 2 wzmocnienie, n 2 > n 1 Obsadzenie n 2 Obsadzenie n 2 n 1 n 1 emisja wymuszona (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 10

10 Optyczne sprzężenie zwrotne - rezonator Fabry-Perota światło pompujące Z 1 Z 2 wyjściowa wiązka lasera światło pompujące (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 11

11 Mody podłużne lasera Z 1 Z 2 ν FSR ν FWHM ν (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 12

12 Mody poprzeczne lasera TEM 00 TEM 10 TEM 20 TEM 00 TEM 10 TEM 20 TEM 30 TEM 40 TEM 50 TEM 30 TEM 40 TEM 50 TEM 60 TEM 70 TEM 11 TEM 60 TEM 70 TEM 11 TEM 21 TEM 22 TEM 33 TEM 21 TEM 31 TEM 43 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 13

13 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) (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 14

14 Pompowanie w laserze półprzewodnikowym - polaryzacja złącza n type junction p type n type junction p type Conduction band Conduction band Electron energy Valence band E g hν Valence band Inne (niż prądowe w złączu pn) metody pompowania: optyczne, wiązką elektronową, - + Diody laserowe można wykonać w półprzewodnikach z prostą przerwą energetyczną, np. GaAs, InGaAs, GaN, InGaAs, InGaAsP. Lasera nie można wykonać z półprzewodników z przerwą skośną, np. Si, Ge. (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 15

15 Laser w homostrukturze półprzewodnikowej Prąd Zwierciadło (łupane) Złącze Wyjściowa wiązka światła (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 16

16 Laser w heterostrukturze półprzewodnikowej P i N N n Buried heterostructure (BH) laser (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 17

17 Różne typy laserów półprzewodnikowych 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 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 18

18 Zależność mocy od prądu lasera [mw] P wy I th [ma] I (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 19

19 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) (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 20

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 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 21

21 Laser typu VCSEL (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 22

22 podstawa Konstrukcja modułu laserowego 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. (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 23

23 Parametry diod LED stosowanych w sieciach światłowodowych Długość fali LED i LD jest określona przez wybór materiału: AlGaAs: nm, InGaAsP: 1300, 1550 nm. LED parameters typ materiał λ moc we włóknie - typ włókna szerokość linii (FWHM) pasmo 3 db nm µw nm MHz SLED AlGaAs / / /125 ELED InGaAsP / ELED InGaAsP /125 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 24

24 Parametry laserów półprzewodnikowych stosowanych w sieciach światłowodowych Diody laserowe (LD) są dostępne w wersji z wyprowadzeniem światłowodowym lub z gniazdem dla standardowego złącza światłowodowego. typ LD λ moc lasera moc we włóknie typ włókna nm mw mw FP /125 FP /125 FP /125 DFB /125 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 25

25 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. Moc dopuszczalna zależy również od konfiguracji urządzenia. (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 26

26 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 (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 27

27 Pytania kontrolne 1. Wymienić czynniki niezbędne do uzyskania akcji laserowej i do zbudowania lasera. 2. Co to jest absorpcja, emisja spontaniczna i emisja wymuszona? 3. Klasyfikacja laserów ze względu na rodzaj ośrodka laserującego. Wymienić znane typy laserów półprzewodnikowych. (c) Sergiusz Patela Systemy światłowodowe - Podstawy działania laserów 28