Struktura

Laserové diody ILD

Laserové diody (Injection Laser Diodes - ILD)

Slovo LASER pochází z anglického označení Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesílení světla stimulovanou emisí záření). Laserové diody fungují, stejně jako lasery, na principu stimulované emise. Injekční laserové diody jsou speciálním typem LED diod.

Aktivní prostředí v injekčních laserových diodách (polovodičových laserech) vzniká při injekci elektronu a děr z přechodu PN. Ke generování optického záření pak dochází v důsledku zavedení kladné zpětné vazby, která část zesíleného signálu z výstupu přivádí na vstup. K tomuto účelu se používají různé typy rezonátorů. Nejpoužívanější rezonátor v současných polovodičových laserech je Fabry – Perotův rezonátor. Vzhledem k tomu, že poměrný index lomu rozhraní polovodičový krystal – vzduch má poměrně vysokou hodnotu indexu lomu, nemusí se u ILD používat speciální zrcadla, ale stačí využít odrazu elektromagnetické vlny od rozhraní. Podmínkou však je vzájemná kolmost protilehlých stěn a jejich kolmost k rovině přechodu PN.

Vnitřní proces v polovodičovém laserovém generátoru je tedy možno zjednodušeně popsat takto:

  • vznik spontánní emise na PN přechodu v důsledku rekombinace nosičů náboje

  • je-li injekční proud tak velký, že se větší počet nosičů náboje nachází ve vodivostním pásu než ve valenčním, jsou splněny podmínky pro stimulovanou emisi, při které se vytváří fotony s identickými vlastnostmi vzhledem na velikost energie, fázové polohy, polarizaci a prostorový směr

  • zavedení smyčky zpětné vazby ve formě rezonátoru, přičemž ztráty v rezonátoru musí být menší, než zesílení v důsledku stimulované emise.Konstrukce laserové diody je na obrázku.

Důležitým parametrem je závislost emitovaného výkonu na velikosti budícího proudu. Na obrázku je laserová dioda s prahovým proudem Ip=200 mA.

Obr. 1: Závislost emitovaného výkonu na velikodti budícího proudu

Laserové diody fungují při nízkých proudech v propustném směru stejně jako hranově emitující LED diody. Po dosažení tzv. prahového proudu se prudce zvýší výkon stimulovaného záření a je emitováno koherentní záření. Po překročení prahového proudu je závislost vyzářeného výkonu na velikosti proudu lineární. Prahový proud je hodnota proudu, při kterém laserová dioda přechází z režimu nekoherentního záření do režimu stimulované emise a začíná emitovat koherentní záření. Polovodičové lasery jsou citlivé na teplotu. Prahový proud roste s rostoucí teplotou. Taktéž s rostoucí teplotou klesá výstupní výkon.

 Spektrum laserových diod

Spektrum je souhrn vlnových délek, na kterých laserová dioda vyzařuje. Spektrum laserové diody je velmi úzké (desetiny až jednotky nm), díky tomu jsme schopni přenášet signál optickým vláknem na velké vzdálenosti bez zkreslení vysílaného signálu. Spektrum laserové diody s  Fabry–Perotovým rezonátorem má hlavní maximum a několik podélných módů. Vlnová délka postraních módů je dána délkou a materiálem rezonátoru. Vyzařovací charakteristika laserové diody s Fabry–Perotovým rezonátorem je zobrazena na obrázku.

Obr. 2: Vyzařovací charakteristika multividového laseru

Na obrázku označuje λp hlavní maximum vlnové délky a Δλ je vzdálenost mezi podélnými módy. Podélné píky vznikají již v rezonátoru laserové diody. Laserové diody, které mají potlačené tyto postranní píky, se nazývají DBF laserové diody. Spektrum laserových diod je závislé na teplotě. S rostoucí teplotou se spektrum posouvá k vyšším hodnotám vlnových délek. Spektrum se bude také měnit s rostoucím proudem diody a tedy také se zvyšujícím se výkonem emitovaného záření. Laserové diody se vyrábějí na různých vlnových délkách. Nejpoužívanější vlnové délky laserových diod jsou 850nm,1310 nm a 1550 nm. Na těchto vlnových délkách mají používaná telekomunikační vlákna minimální útlum platí pro 1550nm, nebo minimální materiálovou disperzi, platí pro oblast kolem 1300nm, nebo jsou zde levné materiály pro výrobu zařivých zdrojů, platí pro 850 nm. Na obrázku je porovnání šířky pásma emitovaného záření při spontánní emisi (LED) a stimulované emisi (LD).

Obr. 3: Porovnání vyzařovací charakteristiky didy LED a laseru LD

Zdroje

  • STRNAD, Stanislav. Optická vlákna a telekomunikace. 2. vydání Praha 1991, ISBN 80-900721-0-0

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Archiv autora
  • Obr. 4: Archiv autora

Obrázek

Content obrazek044

Obr. 4: Porovnání spekter jednotlivých zdrojů záření

Logolink