6.1 Лазерные диоды

ЛД выпускаются только на основе двойных гетероструктур. Кристалл с такой структурой представляет собой многослойную композицию с числом слоев до 7-11. На рис.6.1 представлен пример одной из таких композиций.

Рис.6.1. Полупроводниковая структура лазера полосковой геометрии

на двойной гетероструктуре:

1 – эмиттерные слои (AIGaAs), 2 – металлический контакт, 3 – изоляционный слой из диоксида кремния, 4 – узкозонный активный слой (p-GaAs), 5 – подложка

Основной фактор, определяющий температурную нестабильность, – температурные изменения показателя преломления полупроводниковой структуры. При изменении температуры изменяется также выходная мощность излучения ЛД. Полупроводниковый лазер – пороговый прибор. Это значит, что когерентное излучение возникает при некоторой пороговой величине тока накачки. На рис.6.2 представлена типовая ватт-амперная характеристика ЛД с резонатором Фабри-Перо, где по оси ординат отложена выходная оптическая мощность, по оси абсцисс – ток накачки.

Кривая 1 соответствует работе лазера при комнатной температуре (20°С). Участок кривой до I_пор соответствует допороговому режиму, при котором происходит спонтанное некогерентное излучение, по достижении I_пор начинается когерентное излучение со спектральной шириной линии порядка 2...3 нм. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает. Если ток накачки остается прежним, то выходная мощность Р_о уменьшается. Для восстановления прежней величины Р_о необходимо увеличить ток накачки.

С овременные полупроводниковые лазеры выпускаются в металлическом корпусе, в котором на одной подложке расположены собственно лазерный диод, фотодиод и терморезистор. Вся подложка, в свою очередь, расположена на микрохолодильнике типа элемента Пельтье. Фотодиод располагается за задней гранью кристалла, из которой также выходит излучение. Для того чтобы поверхность фотодиода не служила отражателем, он расположен наклонно. Назначение фотодиода – организация отрицательной обратной связи в электронной схеме накачки лазера. Назначение обратной связи – стабилизация выходной оптической мощности путем автоматической регулировки тока накачки. Автоматическая регулировка I_нак не обеспечивает стабилизацию длины волны излучения. Для ее стабилизации служат элемент Пельтье и терморезистор. Терморезистор включается в цепь обратной связи электронной схемы регулировки тока микрохолодильника. В корпусе лазерного модуля закреплено также одномодовое оптическое волокно, входящее в состав одноволоконного кабеля, и устройство ввода излучения лазера в это волокно. Входной торец ОВ вместе с устройством юстировки, лазерным кристаллом и фотодиодом расположен на упоминавшейся подложке. Это сделано для того, чтобы исключить уменьшение вводимой в ОВ мощности излучения за счет разъюстировки входного торца ОВ относительно выходной грани лазерного кристалла при изменении температуры.

Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные – LM):

• многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри-Перо;

• одномодовые (SLM);

• одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;

• DFB-лазеры с внешним модулятором;

• лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).