Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры

Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных позволяют создать лазерные устройства. На рис.5 показана схема лазера, который излучает с с поверхности вертикально связанных нанокластеров в матрице .

Лазер включает активную зону на основе упорядоченной наноструктуры в виде нанокластеров в матрице , среду для инжектирования электронов и дырок, распределенные бреговские рефлекторы в качестве зеркал и электроды.

При комнатной температуре в случае оптимального количества слоев верхнего бреговского рефлектора максимальная эффективность составила 16%, а минимальный пороговый ток 68 мкА. На рис.6 представлены технические данные такого лазера- выходная мощность и коэффициент полезного действия.

 

 

Рис.5 Схема лазера на вертикально связанных нанокластерах InGaAs в матрице арсенида галлия GaAs. На вставке справа приведено поперечное сечение активной зоны лазера.

1-нанокластерная полость содержащая квантовые точки.

2- (p)GaAs спейсер содержит арсенид галлия с акцепторной проводимостью

3.-брегговские рефлекторы.

4.-электроды.

QW -- квантовые ямы, QD –квантовые точки.

 

 

 

Рис.6 Зависимость выходной мощности и кпд лазера на вертикально связанных нанокластерах InGaAs в матрице арсенида галлия GaAs от тока инжекции. Сплошные линии – мощность лазера, короткий пунктир – кпд лазера, длинный пунктир вольт амперная характеристика. Кривые мощности приведены в зависимости от числа отражающих слоев брегговских рефлекторов (3,4,5).

Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах для передачи информации. Подобные лазеры работают в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (ИК) длин волн 850 нм и 980 нм. Разработаны лазеры в диапазоне дальнего ИК 1,2 -1,5 мкм.

Для лазеров на основе нанокластеров полупроводников генерирующих излучение в оптическом и ультрафиолетовом УФ-диапазоне используют широкозонные материалы. Таким материалом является окись цинка с запрещенной зоной 3,37 эВ, оптические переходы которого лежат в диапазоне УФ. Лазерное экситонное излучение было получено для нанопроволок на сапфировой подложке под действием оптического возбуждения.

Нанопроволоки были синтезированы из газовой фазы с помощью эпитаксиального роста на сапфировой подложке(110). В качестве катализатора, использовались нанокластеры золота , которые входили в тонкую пленку на поверхности сапфира. Изображение нанопроволок с помощью сканирующего электронного микроскопа показана на рис

Нанопроволоки растут перпендикулярно подложке. Их диаметр 20-150 нм. Длина нанопроволок от2-10 мкм. Концы проволок имеют форму правильных шестиугольников. Правильная форма поверхностей таких проволок необходима для создания концентрированного лазерного излучения.

 

 

Рис.7 Изображение со сканирующего электронного микроскопа нанопроволок , выращенных вертикально по отношению к подложке из сапфира.

Под влиянием оптического возбуждения в нанопроволоках генеририруются лазерные моды с длинами волн370-400 нм ультрафиолетового диапазона (УФ) при ширине линии 0,3 нм. Резонансных зеркал нет. Сами нанопроволоки -система монокристаллических резонансных полостей, а их торцевые поверхности выполняют роль зеркал концентрирующих генерированное излучение. Такие коротковолновые лазеры можно применять в вычислительной технике и хранении информации.

Литература

Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: ЛИБРОКОМ, 2009.-592 с.

Игнатов А.Н.Оптоэлектроника и нанофотоника.

Мартинес-Дуарт Дж. М. и др нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники М.техносфера2009.-368с.

 

 

Волноводные оптические усилители и лазеры*)

Существует два типа оптических усилителей лазерного типа полупроводниковый (SOA semiconductor optical amplifier) и волоконный эрбиевый (EDFA) или празеодимовый (PDFA Praseodymium Doped fiber Amplifirs).

Рис 8 Оптический усилитель основан на принципах работы лазера

Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители изготавливаются на основе InGaAsP. Они имеют малые размеры, компактны и интегрируются с другими полупроводниковыми компонентами. Источник питания -- электрический ток.

Характеристики:

Относительно высокое усиление 20 Дб

Предел выходной мощности 5-10 Дб/м,

Широкий рабочий диапазон.

Работают в области 0,8 , 0,9 ,1,0 ,1,3 ,1,5 нм

Используются как преобразователи длин волн.

Несколько усилителей могут объединятся в массив.

Недостатки:

Высокий фактор шума.

Температурная зависимость длин волн

Большие перекрестные потери.

Оптический эрбиевый волоконный усилитель

Эрбиевый волоконный усилитель используется в оптических линиях связи с большим спектральным уплотнением. Ионы эрбия возбуждаются длинами волн 514, 532. 667. 800, 980 и 1480 нм. Усилители работающие в диапазоне 1525-1565 нм называются

С-band --усилители. В диапазоне 1568-1620 L-band -усилителями.

Преимущества эрбиевых усилителей

-Возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн.

-Прямое усиление оптических сигналов без преобразования в электрический сигнал и обратно.

-Практически точное соответствие рабочего диапазона усиления области минимальных оптических потерь световодов из кварцевого стекла.

-Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптические системы передачи.

 

Рис 9 оптические потери кварцевого волокна.

1окно 1170 нм область работы полупроводниковых усилителей.

Рис. 10 Спектры сечений излучений и поглощений эрбиевого волокна.

Сплошная линия –кривая поглощения. Пунктирная линия –кривая вынужденного излучения.

 

Сечение вынужденного излучения эрбия имеет достаточные значения до 1600 нм, а сечение поглощения быстро падает, что позволяет использовать этот диапазон (1570 -1610 нм) для усиления сигналов... Стандартный диапазон усиления составляет 1530-1560 нм.

 

 

Рис. 11 оптические потери кварцевого волокна –коричный пик максимальные потери.

Диапазон работы усилителей на основе редкоземельных ионов (лантаноидов) :Nd-неодим,

Yb-иттербий,Pr-празеодим,Tm-тулий, Er-эрбий.

Эрбий Er -мягкий серебристый металл с гексагональной плотнейшей упаковкой кристаллической структуры. Температура плавления . Ферромагнетик. Радиус иона 85 пикометров ( ). Компонент магнитных сплавов, входит в состав ферритов и специальных стекол.

 

Рис.12 Топология оптической сети с эрбиевым оптическим усилителем.

Энергетическая трехуровневая схема усилителя основана на переходах иона эрбия в кварцевом стекле ( ) между уровнями . Уровни иона эрбия расщепляются на подуровни внутрикристаллическим полем стекла за счет эффекта Штарка. Основной уровень имеет 8 подуровней, метастабильный уровень имеет 7 подуровней, возбужденный уровень 4 подуровня. Ширина между штарковыми подуровнями порядка тепловой энергии .

Коротковолновая накачка с длиной волны 980 нм осуществляется с основного уровня на возбужденный уровень, где ион имеет время жизни 1 мкс, затем беызлучательным переходом переходит на метастабильный уровень. Здесь ионы накапливаются за время жизни 10 мсек.

Длинноволновая накачка с длиной волны 1480 нм переводит ионы эрбия с основного уровня сразу на метастабильный уровень.

Мощность накачки, при которой населенности основного и метастабильного уровня равны называется пороговой мощностью. При этом возникает «просветление» активного волновода (потери становятся нулевыми), См рис.13.

Рис.13 Спектральная зависимость коэффициента усиления/поглощения при разных значений

относительной заселенности метастабильного уровня энергии. Нижняя последняя кривая – населенность 0%.Верхняя кривая населенность 100%. Кривые проведены для населенности с шагом 10%.

Условия усиления ослабленного сигнала в сердцевине волокна с ионами эрбия возникает когда половина ионов находится на метастабильном уровне и возникает инверсия населенности (превышение числа ионов на метастабильном уровне над основным). Вынужденное излучение происходит в диапазоне 1520 нм -1570 нм.

Рис. 14 Упрощенная энергетическая схема уровней энергии эрбия Er в кварцевом стекле.

 

Конструктивно эрбиевый волоконный усилитель состоит:

-из источника оптической накачки 980 нм,

-соединительного устройства –спектрального мутиплексера соединяющего канал накачки 980 нм и канал полезного сигнала 1550 нм,

-активированного эрбием волокна длиной 5-8 м с концентрацией эрбия ,

-Двух оптических изоляторов на концах усилителя. См рис. 15

Рис.15 Эрбиевый волоконный усилитель состоит из лазерной накачки, соединителя активированного эрбием кремниевого волокна и двух оптических изоляторов на концах.

На рис. 16 изображены упрощенные схемы эрбиевого волоконного усилителя для различных направлений подключения источника накачки.

Рис.16а Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя накачка в попутном направлении

 

Рис.16б Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя накачка во встречном направлении.

 

 

Рис.16вУпрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя накачка во обоих направлении.

Первый оптический изолятор подавляет отраженный от соединителя сигнал обратно в линию. Второй изолятор подавляет отраженный сигнал обратно в активированное волокно. Лазер накачки помещен в блок размером. и подсоединен одномодовым волокном к усилителю. Мощность накачки составляет от 100 мВт до 250 мВт. В многомодовых усилителях накачка осуществляется светодиодом мощностью до 1Вт.

Преимущества волноводного усилителя

1.Плоский профиль спектра усиления.

2.Рабочий диапазон эрбиевого усилителя случайно совпадает с диапазоном минимальных оптических потерь кварцевого волокна.

3.Низкий уровень шумов.

Мультиплексер – оптическое устройство объединяющее несколько спектральных каналов с длинами волн в один оптический канал (WDM wavelength division multiplexing) число спектральных каналов может достигать 40.

Демультиплексер- оптическое устройство разъединяющее оптические каналы на спектральные.

Оптические потери магистрального оптического волокна в настоящее время составляют 0,2 дБ/км.

Оптический эрбиевый волоконный усилитель EDFA усиливает сигнал в инфракрасном диапазоне 1,53 -1,58 мкм. Коэффициент усиления составляет 10 Дб/мВт.см рис.17

Рис.17 волоконный эрбиевый оптический усилитель

Существует также коммерческий планарный оптический эрбиевый усилитель длиной 5-8 см, с концентрацией эрбия в волноводе .(EDWA сокращенно от Erbium doped waveguide am plfier).см рис.18

Рис.18 Планарный эрбиевый оптический усилитель

Особенности технологии

Собственно усилительной средой является эрбиево волокно волоконного световода. Технология такая же, как при изготовлении световода для информационного сигнала. Дополнительной операцией является пропитка не проплавленного материала сердцевины световода раствором солей эрбия. Или добавляется операция легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины. волноводные параметры эрбиевого волокна световода специально делают сходными с параметрами обычного световода для уменьшения потерь при соединении.

Принципиальным является выбор легирующих добавок формирующих сердцевину активного световода и подбор концентрации ионов эрбия.

Добавки меняют характер штарковского расщепления, что изменяет спектры излучения и поглощения. Верхний предел концентрации активных ионов определяет возникновение нелинейного тушения люминесценции (или кооперативной ап-конверсии).

При большой концентрации возникают кластеры из двух ионов эрбия. В возбужденном состоянии за счет обмена энергией один ион переходит в ещё более высокоэнергетическое состояние, другой безизлучательно релаксирует на основной уровень. Возникает паразитное поглощение энергии накачки.

При низкой концентрации энергии увеличивается длина световода, что не удобно при изготовлении и экономически не выгодно. Обычно концентрация ионов эрбия составляет , что приводит к длине активного световода от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Планарный эрбиевый оптический усилитель с бреговской решеткой применяется для сглаживания спектра усиления. В схему усилителя вводят спектрально селективные поглощающие фильтры. Примером фильтра является фотоиндуцированная длиннопериодическая решетка (long-period grating).

Технология изготовления.

Пространственно периодическое облучение сердцевины световода через его поверхность. Решетка с периодом в диапазоне 0,1 -1 мм обеспечивает резонансное взаимодействие фундаментальной моды с модами оболочки.

Часть энергии основной моды волоконного световода с резонансной длиной волны преобразуется в энергию оболочечных мод с последующим их затуханием.

Спектр и интенсивность поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода. Сглаживающие фильтры уменьшают вариацию коэффициента усиления до нескольких долей Дб в пределах рабочего диапазона. См рис.19

Рис.19 Планарный эрбиевый волоконный усилитель с бреговской решеткой, служащей для сглаживания спектра усиления.

*)Все рисунки и текст взяты из книги Никоноров Н.В. Шандаров Н.В. Волноводная фотоника. СПб, СПб ГУ ИТМО 2008 г.-142 с.

Нанополяризатор (англ. nanowire-grid polarizer) — синтетический объемный или пленочный композитный материал, обладающий анизотропией пропускания и/или отражения, обусловленной структурой его компонент.

Объемные поляризаторы для ближнего инфракрасного диапазона изготавливаются из стекла, содержащего металлические наночастицы вытянутой формы, ориентированные вдоль некоторой оси. Поляризаторы Polar Cor производства компании Corning, США изготавливаются из боросиликатного стекла, содержащего анизотропные наночастицы серебра, а в поляризаторах производства фирмы HOYA Corp., Япония, вместо частиц серебра используются частицы меди.

Недавно разработано два типа пленочных поляризационных материалов, использующих различные механизмы создания анизотропии отражения [1-3]. В пленочном поляризаторе, разработанном компанией NanoOpto Corporation (США), используется анизотропия отражения от металлического зеркала, изготовленного в виде периодической решетки нанометрового размера (см. рис. 1). Пленочный поляризатор, созданный фирмой Photonic Lattice Inc. (Япония), использует анизотропию отражения от гофрированной многослойной диэлектрической пленки, структура которой показана на рис. 2.

Принцип действия поляризаторов на основе многослойных структурированных пленок основан на том, что периодические диэлектрические структуры обладают двулучепреломлением формы. Это значит, что эффективный показатель преломления слоев зависит от поляризации света. При этом спектр отражения многослойного диэлектрического зеркала зависит от значений показателей преломления в слоях. Следовательно, если из анизотропных структур создать многослойное покрытие, то спектр отражения такого зеркала будет обладать сильной анизотропией. Спектры пропускания типичного многослойного диэлектрического зеркала на основе периодической наноструктуры для двух ортогональных поляризаций приведены на рис. 3. Отметим, что многослойная структурированная пленка фактически является анизотропным одномерным фотонным кристаллом.

Принцип работы поляризаторов на основе металлических линейных наноструктур (линейных решеток) основан на резком уменьшении коэффициента отражения от такой структуры для излучения с ориентацией вектора электрического поля, перпендикулярной штрихам решетки. Линейные решетки с металлическими «штрихами» используются в качестве поляризаторов еще со времен первых опытов Герца по изучению электромагнитных волн. Однако до недавнего времени такие устройства использовались только в радиодиапазоне электромагнитных волн. Если линейная решетка состоит из тонких проводящих штрихов с периодом меньше длины волны, то такая структура принципиально по разному действует на световые волны, поляризованные вдоль штрихов и перпендикулярно им. В первом случае решетка ведет себя так же, как и сплошная металлическая поверхность, а во втором случае – как диэлектрик.

Поляризаторы широко используются в пассивных и активных компонентах современных волоконно-оптических систем связи. Они пропускают линейно-поляризованное излучение с направлением электрического поля, совпадающим с направлением оси пропускания, и блокируют компоненту с ортогональной поляризацией (см. рис. 4). Если блокируемая компонента не поглощается, а отражается, то устройство может выполнять функции поляризационного делителя или объединителя световых пучков.

Иллюстрации	Рис. 1. Металло-диэлектрический нанополяризатор представляет собой решетку периодически расположенных (с периодом порядка ста нанометров) нитевидных проводников на поверхности диэлектрика. Излучение, поляризованное так, что электрическое поле параллельно нитевидным проводникам, отражается от наноструктуры, а излучение, поляризованное ортогонально нитям, проходит через наносруктуру почти без потерь. Источник: Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, с. 50.
	Рис. 2. Диэлектрический отражательный нанополяризатор представляет собой гофрированную многослойную диэлектрическую пленку. В качестве материалов с большим и малым показателями преломления используются кремний (Si) и его двуокись (SiO2). Источник: Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, с. 50.
	Рис. 3. Типичный спектр пропускания многослойной периодической наноструктуры. Δ - рабочий спектральный диапазон поляризатора на основе такой структуры. ТЕ - волна с ориентацией электрического вектора перпендикулярно плоскости падения. ТМ - волна с ориентацией магнитного вектора перпендикулярно плоскости падения. Источник: Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, с. 50.
	Рис. 4. Прохождение светового пучка через поляризатор. Справа на поляризатор падает неполяризованное излучение, однако через поляризатор проходит только излучение, поляризованное вдоль оси пропускания поляризатора. Излучение ортогональной поляризации может быть направлено по другому пути. В этом случае поляризатор превращается в делитель светового пучка. Если направление всех лучей изменить на противоположное, то устройство будет работать как объединитель поляризованных пучков. Источник: Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, с. 49.

Литература

1. Павлова Е.Г. Поляризаторы на основе пленочных наноструктур и их применение в волоконно-оптических системах связи // Lightwave Russian Edition - № 3, 2006 - С. 49–52

2. Wang J.J. et al. Innovative high performance nanowire-grid polarizers and integrated isolators // IEEE j. of Selected Topics in QE.- vol. 11, 2005 - pp. 241–253

3. Tyan R., Sun P. et al. Polarizing beam splitter based on the anisotropic spectral reflectivity characteristic of form birefringent multilayer gratings // Opt. Lett. - vol. 21, 1996, - pp. 761–763

4. Taylor M., Bucher G. High contrast polarizers for the near infrared // Proc. SPIE, Polarization Considerations for Optical Systems II - vol. 1166, 1989 - pp. 446–453