Диссертация (1104695), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Широкополосный ПОУ-модуль с центральной длиной волны1060 нм и быстроперестраиваемый лазер на его основе3.1 Оптико-физические характеристики ПОУ бегущей волны наоснове наногетероструктуры с активными слоями составаIn0.35Ga0.65AsВведениеВ отличие от светодиодов, ЛД и СЛД, у которых выходная оптическаямощность и спектр излучения при заданной температуре для каждогоконкретногоприбораопределяетсятолькотокоминжекции,выходныехарактеристики ПОУ сильно зависят также от мощности и формы спектравходного сигнала. К основным техническим характеристикам ПОУ относятся:• Спектры коэффициента оптического усиления, которые обычноизмеряются в режиме линейного усиления при малых узкополосныхвходных сигналах, при различных уровнях накачки.• Полоса усиления – ширина контура оптического усиления по уровню-3 дБ.• Передаточные характеристики – зависимости выходной оптическоймощности от входной при различных длинах волн входного сигнала иразличных уровнях накачки• Чувствительность – минимальная входная мощность, приводящая кувеличению выходной мощности на заданную величину (сильнозависит от спектра входного сигнала).• Максимальная выходная мощность, которая определяется перегревомили порогом катастрофической оптической деградации ПОУ.• Мощностьнасыщения–входнаямощность,приводящаякуменьшению коэффициента усиления на 3 дБ (сильно зависит отдлины волны входного сигнала и уровня накачки)• Превышение спектральной яркости полезного выходного сигнала надуровнем суперлюминесцентного фона.93• Шум-фактор – превышение относительных шумов интенсивностивыходного сигнала над соответствующими шумами входного.• Быстродействие – степень искажения временной формы входногосигнала после усиления.• Поляризационная чувствительность – зависимость коэффициентаоптического усиления от степени и направления поляризациивходного сигнала.• Степень остаточной паразитной модуляции контура усиления модамиФабри-Перо.В зависимости от назначения ПОУ определяющими являются те или иныеиз перечисленных характеристик.Экспериментальные образцы и их физические характеристикиВ данной главе представлены результаты исследования полупроводниковыхоптических усилителей спектрального диапазона 1010-1110 нм на основе ДКРС всистеме (InGa)As.
Конфигурация активного канала исследованных ПОУ неотличалась от используемой в СЛД традиционной конструкции (см. раздел 1.1)[115]. Он представлял собой прямой гребневидный волновод шириной около 4мкм, имеющий наклон 7О относительно нормалей к торцевым граням кристалла,накоторыебылинанесеныдвухслойныеантиотражающиепокрытия,обеспечивающие эффективный коэффициент отражения порядка 10-4.
Процедураразработкисостоялаввыращиванииипостростовойобработкеновойнаногетероструктуры с требуемыми оптическими свойствами, изготовлении на еёоснове экспериментальных образцов ПОУ, их исследовании, выборе оптимальнойдлины активного канала La, сборке и характеризации ПОУ-модулей.ПОУ-модулибегущейволныотличаютсяотсветоизлучающихСЛД-модулей более сложной конструкцией и более трудоемкой технологиейсборки. Главное отличие состоит в наличии двух, вместо одного, прецизионныхузловстыковкисветоводамис(ОВС).входнымиКристаллывыходнымПОУодномодовымимонтировалисьнаволоконнымиспециальных94теплопроводах, обеспечивающих удобный доступ торцевых микролинз ОВС кторцамактивногоканала.СборкапроизводиласьвкорпусахButterfly,содержащих микроохладители Пельтье и термисторы, предназначенные длятермостабилизации ПОУ.
В ходе данной работы проведены технологическиеисследования по определению оптимальной комбинации припоев с различнымитемпературами плавления, используемых при сборке ПОУ-модуля. Уместноуказать, что законченный модуль содержит девять паяных соединений,выполненных с использованием пяти различных припоев с температурамиплавления от 104ОС до 183ОС. В результате проведенных исследований былаотработана хорошо воспроизводимая технология сборки, обеспечивающаяизготовлениенадежныхгерметичныхмодулей,работоспособныхпритемпературе окружающей среды от –55ОС до +70ОС.
Входные и выходные ОВСизготавливались из изотропного волокна или волокна типа PANDA с длинойволны отсечки, соответствующей спектральной полосе усиления ПОУ, в данномслучае из волокон типа Flexcore-1060 или PANDA-980. При необходимости ониоконцовывались коннекторами типа FC/APC. Характеризация ПОУ-модулейпроизводилась в условиях термостабилизации при 25ОС в непрерывном режимеинжекции.Методика измерения основных технических характеристик ПОУ-модулейподробно описана в [87]. При проведении этих измерений используются дваоднотипных ПОУ-модуля, один из которых служит активным элементомперестраиваемого лазера, исполняющего роль генератора входного сигнала. НаРис.
3.2.1 представлен типичный спектр «чистого» однопроходного усиления (изОВС в ОВС) разработанного ПОУ, измеренный при токе инжекции, реализующеммаксимальную полуширину спектра.Однопроходное усиление (дБ)95Рис. 3.2.125-3дБ2075нм15101000Спектр10401080Длина волны (нм)однопроходногоусиления1120(изОВСвОВС)разработанного ПОУ при максимальной полуширине спектра.Следует отметить, что этот ток несколько выше, чем ток, реализующийвыравнивание спектральных максимумов излучения квантоворазмерных СЛД наоснове той же гетероструктуры. По нашему опыту коэффициент усиления Gпорядка 10 дБ достаточен для выполнения пороговых условий при помещенииПОУ во внешний резонатор с разумным уровнем диссипативных и излучательныхпотерь. Исходя из этой оценки, эффективная полоса усиления рассматриваемогоПОУ составила около 100 нм.Исследованный ПОУ был создан на основе двухслойной квантоворазмернойструктуры (ДКРС) в системе (InXGa1-X)As/GaAs с концентрацией In~0.35 вактивных слоях толщиной 7 нм.
На Рис. 3.2.2 представлена зонная диаграммаиспользованной гетероструктуры. Особенности геометрии и химического составаактивных слоев, а также основные параметры ПОУ модуля отражены вТабл. 3.2.1.96Рис. 3.2.2ТипДКРСЗонная диаграмма исследуемой гетероструктуры.Состав итолщинаактивногослояIn0.35Ga0.65As2x7.0 нмДлинаактивногоканала,мкмДиапазон,нм12001010-1110МаксимаМаксимальнаяльноевыходнаяусиление,мощность, мВтдБ2420Табл. 3.2.1 Основные параметры разработанного ПОУ модуля.В последнем столбце указана выходная мощность из ОВС, при которойПОУ-модули прошли предварительные ресурсные испытания в режиме СЛД.Следует отметить, что выходная оптическая мощность в открытое пространство,соответствующая порогу катастрофической деградации, составляет у этихприборов до 150 мВт.
Таким образом, могут быть реализованы заметно болеевысокие уровни выходной мощности (коэффициент ввода в ОВС составлял от 55до 70%). Вопрос о том, как это отразится на сроке службы, требует отдельныхисследований.97Ниже приводятся результаты измерений стационарных передаточныххарактеристик. Ширина спектра входного сигнала, поступавшего на вход ПОУчерез оптический изолятор, не превышала 0.05 нм. Его мощность регулироваласьв широких пределах с помощью управляемого оптоволоконного аттенюатора.Рис. 3.2.3 иллюстрирует эволюцию спектра усиления при мощностях входногосигнала, не превышающих – 15 дБм.Усиление (дБ)252015101000321104010801120Длина волны (нм)Рис.
3.2.3 Эволюция спектра усиления ПОУ при различных рабочих токахPASE = 1.2 мВт;исоответствующихмощностях:1 – IПОУ = 100 мА,2 - IПОУ = 120 мА, PASE=2 мВт; 3 - IПОУ = 140 мА, PASE=3.5 мВт.При малых токах инжекции достаточно высокое усиление наблюдаетсятолько в спектральной полосе, соответствующей квантовым переходам изосновного состояния.
С ростом уровня накачки в игру вступает возбужденнаяподзона. На Рис. 3.2.4 представлены зависимости выходной мощности ПОУ и егокоэффициента усиления от мощности входного сигнала на длинах волн 1020 нм,1055 нм и 1090 нм, соответствующих краям и середине полосы усиления.12IПОУ=140 мА2824420016-412IПОУ=120мА-884-12010-30-20-100Входная мощность (дБм)а.Рис. 3.2.41232IПОУ=140 мА24420016-4IПОУ=120мА12-88-124-16-40-30-20-100Входная мощность (дБм)б.160103212828828IПОУ=140 мА24420016-412IПОУ=120мА-88-12-16-40Усиление (дБ)Выходная мощность (дБм)-16-4016Усиление (дБ)8Выходная мощность (дБм)3216Усиление (дБ)Выходная мощность (дБм)984-30-20-100Входная мощность (дБм)в.010Зависимости выходной мощности ПОУ и его коэффициентаусиления от мощности входного сигнала на длинах волн 1020 нм (а), 1055 нм (б)и 1090 нм (в), соответствующих краям и середине полосы усиления.В режиме ручного или автоматического контроля выходной мощности(АКМ) она может поддерживаться на постоянном уровне за счет изменения токаинжекции ПОУ.
При этом правда, изменяется степень превышения полезнымсигналом суперлюминесцентного «пьедестала» (SMS).СоответствующиеспектрывыходногоизлученияпредставленынаРис. 3.2.5, а зависимости тока инжекции ПОУ и величины SMS от длины волнывходного сигнала на Рис. 3.2.6. В данном случае ПОУ работал в режименасыщения усиления: G ≅ 14 дБ.50Рис. 3.2.5lв х=1022нм403020Усиленныйсигнал100-10-20-30100050SMSASE10401080Длина волны (нм)1120λвх=1052нм40302010SMS0-10-20-301000Спектральная плотность (дБм/нм)Спектральная плотность (дБм/нм)Спектральная плотность (дБм/нм9910401080Длина волны (нм)11205040lвх=1092нм302010SMS0-10-20-30100010401080Длина волны (нм)1120Спектры выходного излучения при различных длинах волнвходного сигнала.6020050160401203080201000Рис.
3.2.610401080Длина волны (нм)401120Ток инжекции ПОУ (мА)Величина SMS (дБ)100Зависимость величины SMS и тока инжекции ПОУ от длиныволны входного сигнала при входной мощности 2 мВт и выходной 20 мВт(G~10 дБ).Для практических применений важной спектральной характеристикойявляется доля полезной выходной мощности, сосредоточенная в центральномпике, определяемая как:KS =λC +δλ+∞λC −δλ−∞∫ S (λ )dλ∫ S (λ )dλ(3.1.1),где S(λ) – спектр выходного излучения, λC – центральная длина волнывходного сигнала, ∆λ – спектральная полуширина входного сигнала.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
