mgr inŝ. Magdalena Gutowska dr inŝ. Mirosław Nowakowski dr inŝ. Janusz Mikołajczyk Instytut Optoelektroniki Wojskowa Akademia Techniczna ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa dr inŝ. Dariusz Szabra dr inŝ. Jacek Wojtas prof. dr hab. inŝ. Zbigniew Bielecki Badanie właściwości kwantowych laserów kaskadowych dla systemów łączności optycznej Słowa kluczowe: łącze optyczne, kwantowy laser kaskadowy, łączność laserowa. STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych kwantowego lasera kaskadowego firmy Alpes Lasers pod kątem jego zastosowania w systemie łączności optycznej w otwartej przestrzeni. Badania obejmowały określenie wpływu parametrów impulsu sterującego na impuls laserowy. Przeprowadzono pomiary charakterystyk moc optyczna - napięcie oraz charakterystyk widmowych dla róŝnych temperatur pracy lasera. Wyznaczono takŝe rozbieŝność wiązki promieniowania laserowego. Dobór punktu pracy lasera przeprowadzono pod kątem uzyskania najkorzystniejszego kształtu impulsu promieniowania optycznego, jaki jest wymagany w łączach FSO. 1. WPROWADZENIE Jednym z głównych ograniczeń komercyjnie dostępnych systemów łączności optycznej w otwartej przestrzeni (ang. Free Space Optics), wykorzystujących promieniowanie o długości fali 0,8 µm i 1,5 µm, jest ich wraŝliwość na trudne warunki pogodowe. Perspektywicznym etapem rozwoju tych systemów jest opracowanie układów nadajnika i odbiornika pracujących w zakresie 8-12 µm. Promieniowanie to charakteryzuje się małą absorpcją spowodowaną przez gazy typowo występujące w atmosferze, oraz mniejszym tłumieniem wprowadzanym przez mgły o niewielkich cząstkach aerozoli. Przez wiele lat, jedną z największych barier technologicznych umoŝliwiających opracowanie systemu FSO pracującego w ww. zakresie, był brak odpowiedniego źródła promieniowania. Przykładowo laser CO 2, pracujący w tym zakresie długości fal, nie miał praktycznego uzasadnienia do budowy prostych i niezawodnych szerokopasmowych łączy umoŝliwiających transmisję danych. Momentem przełomowym był rok 1971, kiedy Kazarinov i Suris podali ideę pracy kwantowych laserów kaskadowych (ang. Quantum Cascade Laser QCL) [1]. W 1994 roku, J. Faist i F. Capasso podali pierwsze wyniki badań eksperymentalnych laserów QCL [2]. Od tego czasu nastąpił znaczący postęp w rozwoju tych laserów, pracujących zarówno w zakresie średniej, jak i dalekiej podczerwieni (3-24 µm) [3]. WaŜne miejsce w rozwoju technologii tych laserów mają równieŝ polscy naukowcy i technolodzy [4, 5]. Lasery te posiadają właściwości uŝytkowe (zakres widmowy, moc, masa, pobór energii), które umoŝliwiają 372
wykorzystanie ich w nadajnikach systemów szerokopasmowej łączności optycznej. Pierwsze badania w zakresie moŝliwości wykorzystania laserów kaskadowych do budowy FSO przeprowadzono w laboratoriach Bella [6, 7]. W Instytucie Optoelektroniki WAT prowadzone są równieŝ prace z zastosowaniem laserów QCL w systemach FSO. Początkowo zastosowano lasery QCL firmy Cascade Technologies [8-9]. Niestety uzyskana częstotliwość powtarzania impulsów modulacji była niewystarczająca i ograniczała się jedynie do pracy impulsowej z małym (< 1%) współczynnikiem wypełnienia ciągu impulsów [10, 11]. Głównym celem prowadzonych badań było zatem przeprowadzenie dokładnej analizy dostępnych obecnie na rynku laserów kaskadowych, określenie ich przydatności w systemach przesyłania danych, oraz wyznaczenia optymalnych parametrów pracy nadajnika do projektowanego łącza. 2. BADANIA LASERA KASKADOWEGO Głównymi czynnikami warunkującymi wybór odpowiedniego lasera do zastosowania w FSO jest zakres widmowy promieniowania, maksymalna moc w impulsie, dopuszczalna częstotliwość pracy i współczynnik wypełnienia. Obecnie na rynku istnieje kilka rodzajów laserów kaskadowych duŝej mocy pracujących w trybie impulsowym, ciągłym lub teŝ ciągłym i impulsowym [12]. Na podstawie analizy danych przedstawionych przez producentów laserów oraz moŝliwości ich zakupu przyjęto, Ŝe najbardziej efektywnym źródłem promieniowania będzie laser kaskadowy firmy Alpes Lasers, model sbcw3252. Laser ten umoŝliwia pracę zarówno w trybie impulsowym, jak i ciągłym (o duŝym współczynniku wypełnienia). Maksymalna moc średnia wynosi 150 mw dla temperatury -30 C. Producent wraz z laserem dostarczył równieŝ funkcjonalny system sterowania. System ten składa się z modułu lasera (LLH), modułu sterowania laserem (LDD), modułu zasilania i sterowania chłodziarką termoelektryczną (TCU). Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy zastosowanego układu laboratoryjnego słuŝącego do zasilania i sterowania lasera kaskadowego wraz z elementami stanowiska pomiarowego (generatorem, zasilaczami, modułami detekcyjnymi oraz oscyloskopem). W celu utrzymania odpowiedniej temperatury pracy lasera zastosowano dwustopniową chłodziarkę termoelektryczną. Chłodziarka ta umoŝliwia stabilizację temperatury pracy lasera w zakresie od -40ºC do +80ºC. Istnieje równieŝ moŝliwość chłodzenia przy zastosowaniu wymuszonego obiegu wody. Generator zapewnia sterowanie lasera impulsami o zadanych parametrach. Do polaryzacji lasera zastosowano układ bias-t. Dostarcza on do lasera prąd stały o wartości podprogowej (brak generacji promieniowania), oraz umoŝliwia wprowadzenie sterujących impulsów prądowych do uzyskania akcji laserowej. Rys. 1. Schemat blokowy układu do zasilania i sterowania laserem QCL firmy Alpes Lasers W pierwszym etapie badań przeprowadzono pomiary kształtu impulsów laserowych dla róŝnych warunków pracy. Na rysunku 2 przedstawiono wpływ amplitudy napięcia sterującego na kształt impulsu laserowego. Badania przeprowadzono dla częstotliwości VI Optoelektronika 373
powtarzania impulsów wynoszącej 2 MHz, czasu trwania impulsu 50 ns i temperatury chłodziarki termoelektrycznej 10 C. Dla tej temperatury akcja laserowa rozpoczyna się przy amplitudzie napięcia sterującego 8,5 V. Wraz ze wzrostem tego napięcia następuje zmiana kształtów zarejestrowanych impulsów laserowych. Przy napięciu polaryzacji 9,5 V moŝna zaobserwować dwa impulsy, natomiast przy 11 V pojawia się juŝ impuls quasi-prostokątny. Dalszy wzrost amplitudy napięcia sterującego praktycznie nie wpływa na kształt impulsu laserowego. Efekt ten wywołany jest przez dynamiczną zmianę temperatury lasera i jego właściwości elektryczne (pojemność). Ze względu na krótkie czasy trwania impulsów w porównaniu ze stałą czasową układu chłodzenia moŝna zaobserwować dynamiczne zmiany punktu pracy lasera. W skrajnych przypadkach (dla wartości w pobliŝu napięcia progowego) moŝe nawet dochodzić do wygaszania pewnego fragmentu impulsu (rys. 2b, rys. 2c). Układ detekcyjny zarejestruje wówczas impulsy o bardzo krótkich czasach trwania. Wniosek: dla systemów łączności zjawisko to nie jest poŝądane, gdyŝ moŝe powodować powstanie błędnych podwójnych bitów. Jego eliminacja wymaga przeprowadzenia szeregu dodatkowych badań optymalizacyjnych. a) b) c) d) Rys. 2. Wpływ zmian napięcia sterującego na kształt impulsu optycznego lasera sbcw3252, impuls z generatora (linia niebieska), impuls laserowy (linia turkusowa), a) U POL = 7 V, I = 75 ma, b) U POL = 8,5 V, I = 101 ma, c) U POL = 9,5 V, I = 119 ma, d) U POL = 11 V, I = 164 ma W kolejnym etapie badań dokonano oceny zaleŝności mocy promieniowania laserowego od temperatury lasera i współczynnika wypełnienia generowanych impulsów. W badaniach tych zastosowano miernik mocy firmy STANDA z detektorem krzemowym typu 11XLP12-1S-H2-D0, generator firmy STANFORD Research DG645, zasilacz firmy AGILENT E3631A oraz zasilacz AGILENT E3612A. Na rysunku 3 przedstawiono zmierzone charakterystyki średniej mocy optycznej lasera w funkcji napięcia sterującego dla kilku wartości temperatur i współczynnika wypełnienia. Z otrzymanych charakterystyk wynika, Ŝe: 374
ze wzrostem współczynnika wypełnienia rośnie moc średnia promieniowania. Wzrost ten staje się zaleŝnością nieliniową wraz ze zwiększaniem się wartości współczynnika wypełnienia, wzrost temperatury lasera powoduje spadek mocy średniej promieniowania, wzrost temperatury powoduje zwiększenie wartości napięcia progowego, wzrost temperatury wpływa negatywnie na nachylenie charakterystyki moc optyczna-prąd lasera kaskadowego. Wniosek: istotnym zagadnieniem przy zastosowaniu laserów kaskadowych jest zapewnienie odpowiedniego (wydajnego i szybkiego) układu chłodzenia. a) b) c) Rys. 3. ZaleŜność mocy średniej lasera sbcw3252od napięcia sterującego, dla trzech wartości temperatur pracy i współczynnika wypełnienia zmieniającego się w zakresie od 2 40% Kolejnym etapem badań było określenie zakresu spektralnego promieniowania laserowego. Laser ten, zgodnie ze specyfikacją producenta, optymalizowany był na długość fali 10 µm. Pomiary widma lasera zostały przeprowadzone przy uŝyciu spektrometru ihr30 firmy Horiba. Pomiary zostały wykonane dla częstotliwości repetycji 4 MHz. Wyniki badań przedstawiono na rys. 4. Jak wynika z przedstawionych charakterystyk, laser emituje promieniowanie o strukturze wielomodowej. Wynika to bezpośrednio z konstrukcji, gdyŝ zastosowano w nim rezonator Fabry-Perot. Natomiast zmiana temperatury lasera i wartości prądu wpływają zasadniczo na połoŝenie oraz kształt emitowanego widma. Wniosek: Badania wykazały, Ŝe mimo szerokiej charakterystyki spektralnej tego lasera, zapewnione zostały warunki jego pracy w tzw. trzecim oknie transmisji atmosfery. VI Optoelektronika 375
Rys. 4. Widmo lasera sbcw3252 dla częstotliwości 4 MHz W łączności laserowej, aby osiągnąć duŝe zasięgi konieczne jest uzyskanie małej rozbieŝności wiązki. Ze względu na bardzo niekorzystne parametry przestrzenne wiązki emitowanej bezpośrednio z lasera (rozbieŝność 30 x60 ) naleŝało opracować układ umoŝliwiający regulację parametrów przestrzennych wiązki promieniowania w trzech płaszczyznach. Składa się on z soczewki germanowej o ogniskowej 30 mm, uchwytu soczewki, podstawki, stolika z regulacją połoŝenia XYZ oraz płyty montaŝowej (rys. 5). Rys. 5. Układ kolimowania wiązki lasera QCL Na podstawie badań eksperymentalnych określone zostało optymalne połoŝenie soczewki kolimującej. Dokonano równieŝ pomiaru rozkładu natęŝenia promieniowania w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku wiązki. Pomiary wykonano w odległości 7 m od lasera. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 6. Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe rozbieŝność wiązki badanego lasera wynosi około 2,5 mrad. Osiągnięta rozbieŝność jest nieznacznie większa od parametrów uzyskiwanych w obecnie dostępnych zintegrowanych głowicach laserowych (laser+układ kolimujący). a) b) Rys. 6. Profil wiązki lasera sbcw3252, trójwymiarowy (a) i dwuwymiarowy (b) 376
3. PODSUMOWANIE Przeprowadzono badania eksperymentalne lasera sbcw3252 w celu określenia optymalnych parametrów jego pracy, biorąc pod uwagę moŝliwość jego zastosowania w łączu optycznym w otwartej przestrzeni. Badania obejmowały: wyznaczenie wpływu wartości napięcia sterującego na kształt impulsu optycznego lasera, pomiary charakterystyk zmian średniej mocy optycznej w funkcji napięcia polaryzującego, temperatury lasera i współczynnika wypełnienia impulsów, wyznaczenie charakterystyk widmowych, oraz określenie rozbieŝności wiązki promieniowania optycznego. Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe laser sbcw3252 firmy Alpes Lasers moŝe być z powodzeniem zastosowany w łączu FSO. W celu uzyskania transmisji rzędu 2 Mb/s naleŝy zapewnić następujące parametry modułu laserowego: napięcie polaryzacji 12 V, temperatura pracy lasera -20 C, czas trwania impulsu 400 ns. BIBLIOGRAFIA [1] R. F. Kazarinov, R. A. Suris, Possibility of amplication of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice, Soviet Physics Semiconductors-Ussr 5, p.707, 1971. [2] J. Faist, C. Gmachl, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. Y. Cho, Quantum cascade laser, Science 264, pp. 553-556, 1994. [3] J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, S. N. G. Chu, A. Y. Cho, High power mid-infrared (λ~5µm) quantum cascade lasers operating above room temperature, Appl. Phys. Lett. 68, pp. 3680-3682, 1996. [4] Pabjańczyk, R. Sarzała, M. Wasiak, M. Bugajski, Kwantowe lasery kaskadowe - podstawy fizyczne, Elektronika, nr 5, s. 30-43, 2009. [5] M. Bugajski, K. Kisiel, A. Szerling, J. Kubacka-Traczyk, I. Sankowska, P. Karbownik, A. Trajnerowicz, E. Pruszyńska-Karbownik, K. Pierściński, D. Pierścińska, GaAs/AlGaAs (~9.4µm) quantum cascade lasers operating at 260 K, Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, vol. 58, No 4, pp. 471-476, 2010. [6] F. Capasso, R. Paiella, R. Martini, R. Colombelli, C. Gmachl, T. L. Mayers, M. S. Taubman, R. M. Williams, C. G. Bethea, K. Unterrainer, H. Y. Hwang, D. L. Sicvo, A. Y. Cho, A. M. Sergent, H. C. Liu, E. A. Whittaker, Quantum cascade lasers; Ultrahigh-speed operation, optical wireless communication, narrow line-width, and far-infrared emission, IEEE J. Quantum Electron. QE 38(6), pp. 511-532, 2002. [7] R. Martini, Quantum cascade laser based free space optical communications, Proc. 5th QCL Workshop, Freiburg, Germany, 2004. [8] Z. Bielecki, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, J. Wojtas, MoŜliwości wykorzystania lasera w systemie łączności optycznej w otwartej przestrzeni, Proc. of Electrotechnical Institute, pp. 135-145. zeszyt 234, 2008. [9] Z. Bielecki, W. Kołosowski, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, Free-space Optical Data Link Using Quantum Cascade Laser, PIERS, 2-6 July 2008 Cambridge, USA. Conference Proceedings, pp. 95-98. www.emacademy.org [10] J. Mikołajczyk, Z. Bielecki, M. Nowakowski, J. Wojtas, Second generation FSO for communication systems, 6-8 May. Sensor+Test 2008 Proceedings, Nurnberg, Germany, pp. 313-316, 2008. [11] Z. Bielecki, W. Kołosowski, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, E. Sędek, J. Wojtas, Free-space optical communications using quantum cascade laser, XVIII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, 19-21 May, Wrocław, Poland. Conference Proceedings, Vol. 2, pp. 295-298, 2008. [12] www.alpeslasers.com VI Optoelektronika 377