Полупроводниковый оптический усилитель на длину волны 1550 нм
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
На правах рукописи
Медведев Сергей Витальевич
Полупроводниковый оптический усилитель на длину волны 1550 нм
и кольцевой лазер на его основе
05.27.03 — Квантовая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2013Работа выполнена в ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»
Научный руководитель: доктор технических наук,
Дураев Владимир Петрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор
Фомичев Алексей Алексеевич
Московский физико-технический
институт, профессор
кандидат физико-математических наук
Беловолов Михаил Иванович
Научный центр волоконной оптики
РАН, вед. научный сотрудник
Ведущая организация: Институт общей физики РАН им.
А.М.Прохорова
Защита состоится « » декабря 2013 г. в 15 часов на заседании
диссертационного совета Д.409.003.01 ОАО НИИ «Полюс им. М.Ф. Стельмаха»
по адресу: 117342, Москва, ул. Введенского, д.3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ «Полюс им. М.Ф.
Стельмаха».
Автореферат разослан «30» октября 2013 г.
Автореферат размещен на сайте института ОАО НИИ «Полюс им. М.Ф.
Стельмаха» polyus.info и сайте ВАК vak.ed.gov.ru
Ученый секретарь диссертационного совета
к.ф.-м.н. Кротов Ю.А.3
Общая характеристика работы. Актуальность проблемы
Полупроводниковые лазеры и оптические усилители представляют
наиболее динамично развивающуюся часть лазерной физики, а взаимосвязь
фундаментальных и прикладных исследований в этой области определяет
прогресс мировой оптоэлектронной промышленности.
В последние годы особое внимание уделяется волоконно-оптическим
системам передачи информации. Полупроводниковые оптические усилители
(ПОУ) имеют хорошие перспективы практических применений в качестве
усилителей мощности выходного излучения, линейных усилителей для
компенсации потерь в линиях, оптических предусилителей для повышения
чувствительности приемников, оптических коммутаторов, основы
полупроводниковых кольцевых лазеров, гироскопов.
Таким образом, совершенствование технологии изготовления
полупроводниковых оптических усилителей является актуальной задачей, как с
научной, так и с практической точек зрения.
Цель работы
Целью настоящей работы являлось создание технологии изготовления
полупроводникового оптического усилителя, изучение характеристик и
исследование особенностей его функционирования в режиме кольцевого лазера.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс
задач:
• Разработка физико-технологических основ создания полупроводниковых
оптических усилителей.
• Конструирование и изготовление ПОУ.
• Исследование факторов, влияющих на характеристики ПОУ.
• Исследование основных характеристик ПОУ.
• Физико-математическое моделирование полупроводникового оптического
усилителя.
• Исследование основных характеристик ПОУ в режиме
полупроводникового кольцевого лазера (ПКЛ).
Научная новизна
1. Изучены и определены основные требования к квантоворазмерным
гэтероэпитаксиальным структурам на основе InGaAsP/InP
обеспечивающие максимальный коэффициент усиления на длине волны
1550нм.
2. Рассчитана и оптимизирована конструкция активного элемента ПОУ.
3. Конструированы и созданы микролинзы, обеспечивающие коэффициент
связи между волокном и активным элементом ПОУ до 78%.
4. Разработан и реализован надежный способ крепления оптического
световода относительно активного элемента усилителя на основе
стеклянного припоя.4
5. Создана адекватная математическая модель ПОУ, описывающая
зависимость характеристик ПОУ от различных параметров.
6. На основе ПОУ создан полупроводниковый кольцевой лазер.
7. Показана возможность генерации кольцевого лазера как в одночастотном,
так и в многочастотном режиме с заданным свободным спектральным
интервалом.
8. Исследовано влияние длины кольцевого резонатора ПКЛ на ширину
линии излучения.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
подтверждается удовлетворительным согласием теоретических оценок и
экспериментальных результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
• Созданы полупроводниковые оптические усилители на основе
кванторазмерных гетероэпитаксиальных структур InGaAsP/InP,
AlInGaAs/InP c длиной волны излучения 1550нм и полупроводниковые
кольцевые лазеры на их основе.
• За счет создания цилиндрических и пирамидальных микролинзы на конце
световода можно получить коэффициент ввода в одномодовое волокно до
78%.
• Увеличение коэффициента ввода и крепление световода стеклянным
припоем приводит к значительному улучшению основных характеристик
ПОУ (коэффициент усиления, чувствительность, мощность насыщения,
коэффициент шума, надежность и долговечность).
• Кольцевой резонатор, состоящий из волокна с сохранением поляризации,
обеспечивает спектральную фильтрацию излучения ПКЛ.
• При увеличении длины резонатора сужаются ширины линий биений
продольных мод.
Практическая ценность работы
Созданные в процессе выполнения диссертационной работы ПОУ и
полупроводниковые кольцевые лазеры на их основе найдут самое широкое
применение в различных областях науки и техники, в том числе в оптических
линиях передачи информации, медицинской и экологической аппаратуре,
волоконно-оптических датчиках температуры, давления, вибрации, напряжения,
в спектроскопии высокого разрешения и тд.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на
всероссийских и международных конференциях. В частности:
• 16-й общероссийский семинар по диодной лазерной спектроскопии им.
А.М.Прохорова, Москва, 26 октября 2011 г.
• Международная конференция «Лазеры, измерения, информация»,
Санкт-Петербург, 5-7 июня 2012 г.5
• Полупроводниковые лазеры: физика и технология, 3-й российский
симпозиум, Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2012 г.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10
научных работах, в том числе в 4 тезисах, 6 публикациях в научных журналах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка
литературы. Работа содержит 150 страниц, включающих 8 таблиц и 68
рисунков.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены
автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и
включенных в диссертацию, автор внес определяющий вклад в:
а) научное обоснование и разработка технологии изготовления
сферических, цилиндрических и пирамидальных микролинз;
б) научное обоснование и разработка технологии юстировки и крепления
оптического волокна с сохранением поляризации;
в) создание технологического цикла (маршрута) изготовления
полупроводникового оптического усилителя;
г) проведение комплекса исследований базовых характеристик
полупроводникового оптического усилителя, в том числе в режиме ПКЛ. Кроме
того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов.
Соавторы, принимающие участие в исследованиях по отдельным
направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.
Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на
защиту, получены автором лично.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность разработки технологии
изготовления и исследований полупроводниковых оптических усилителей и
полупроводниковых кольцевых лазеров с волоконным резонатором.
Формулируется цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной
цели, перечислены научные результаты, выносимые на защиту, показаны
научная новизна исследования и его практическая ценность.
В первой главе представлен обзор имеющихся публикаций по
современному состоянию и путям создания полупроводниковых оптических
усилителей. Рассмотрены общие требования к полупроводниковым оптическим
усилителям и показаны отличия от других типов оптических усилителей
(недостатки и преимущества).
Приведенные в обзоре характеристики ПОУ, показывают широкие
перспективы их применения в различных отраслях науки и техники, в6
частности, ПОУ применяются в качестве: усилителей мощности выходного
излучения [1]; линейных усилителей для компенсации потерь в линиях связи
при передаче информации по волокну [2]; оптических предусилителей для
повышения чувствительности фотоприемников[3]; основы для
полупроводниковых кольцевых лазеров [4], гироскопов [5] и волновых
конвертеров [6]; оптических модуляторов [7]; компенсаторов дисперсии [8];
оптических коммутаторов [9] и т.д.
Рассмотрены особенности резонансного полупроводникового
оптического усилителя. В случае резонансных усилителей имеется целый ряд
серьезных практических трудностей, в том числе: узкая спектральная полоса
усиления (и соответственно резкая зависимость усиления от длины волны)
требует точной настройки усилителя на частоту сигнала; резкая зависимость
усиления от тока накачки; резонансы смещаются при изменении температуры.
Во второй главе рассматриваются основные требования к
эпитаксиальным структурам, к активному элементу ПОУ, способы их
формирования. Представлены результаты конструирования и технологии
изготовления ПОУ на основе волокна с сохранением поляризации.
Представлены расчет и различные способы формирования микролинз.
Представлен простой и надежный способ юстировки и крепления оптического
волокна относительно активного элемента ПОУ.
В первом разделе описаны принципы конструирования и изготовления
ПОУ. В настоящей работе были созданы полупроводниковые оптические
усилители (ПОУ) на длину волны 1550 нм. ПОУ состоит из
металлокерамического корпуса типа «butterfly» (1 на рис. 1) внутри которого
размещены активный элемент (2) на основе гетероэпитаксиальной структуры
InP/InGaAsP, элемент Пельтье (3) и термосопротивление (4) и двух
одномодовых световодов (5) с коннектором типа FC/APC на конце (6).
Рис. 1. Конструкция ПОУ.
При помощи припоя активный элемент закреплен на контактной
пластине (7). Световоды жестко закреплены на микропечках (8) в двух местах.
На торцах световода изготовлены микролинзы. Микропечки закреплены на
печкодержателях (9), которые жестко скреплены с контактной пластиной.
Печкодержатели и контактная пластина установлены на холодной поверхности
микрохолодильника и жестко закреплены на ней. Холодильник припаян к7
основанию корпуса.
Во втором разделе описаны наногетероструктуры, используемые в
работе. В нашей работе использовались эпитаксиальные структуры на основе
InGaAsP/lnP (длина волны излучения 1300, 1550 нм) с квантово-размерными
слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии. Геометрические
размеры квантово-размерной структуры на InGaAsP/lnP с пятью квантовыми
ямами на длину излучения λ = 1550 нм представлены на рис. 2.
Рис. 2. Геометрия квантово-размерной структуры InGaAsP/InP с
пятью квантовыми ямами на длину волны 1550 нм.
Третий раздел посвящен изготовлению активного элемента ПОУ. На
основе физико-математической модели, были изготовлены активные элементы с
шириной активной области 3 мкм и длинами 800, 1200 и 1600 мкм. Для
уменьшения обратных отражений передняя и задняя грани активного элемента
были скошены под углом 7º к активному волноводу и на них наносились
двухслойные просветляющие покрытия, обеспечивающие коэффициент
отражения менее 0,05%. Активный элемент схематически изображен на рис. 3.
Рис. 3. Активный элемент ПОУ.
Четвертый раздел содержит описание одномодового волокна с
сохранением поляризации. В работе использовалось оптическое волокно типа
Panda производства фирмы Corning. Данное волокно предназначено для работы
в области длин волн 1,55 мкм. Оно способно сохранять линейную поляризацию
излучения запущенного вдоль одной из его осей (быстрой или медленной) с
экстинкцией более 40 дБ. Сохранение поляризации в таком волокне
обусловлено наличием механических напряжений, вызванных специальными
стержнями. Эти напряжения приводят к возникновению двулучепреломления
вдоль сердцевины волокна.
Рассмотрены методы ориентации волокна с сохранение поляризации
(пассивный и активный). Пассивный метод ориентации основан на8
геометрической ориентации оси волокна с визуальной идентификацией
позиции напрягающих элементов в поперечном сечении волокна
(геометрические главные оси). Напротив, активный метод ориентации основан
на идентификации главных осей волокна путем измерения поляризованного
светового сигнала (оптические главные оси). В работе производилась
ориентация волокна с коэффициентом поляризационной экстинкции не менее
30 дБ.
Пятый раздел посвящен формированию микролинз на торцах
одномодового оптического волокна. Ввод излучения из полупроводникового
кристалла в торец одномодового оптического волокна составляет около 10%
из-за несоответствия в распределении полей в кристалле и волокне. Для
устранения этого несоответствия и увеличения коэффициента ввода
необходимо изготавливать микролинзы на торце волокна с определенным
фокусным расстоянием, которые будут коллимировать излучение в сердцевину
оптического волокна. Представлена теория для расчета коэффициента ввода и
его увеличения с помощью микролинз. На рис. 4 показана расчетная
зависимость коэффициента ввода для четырех микролинз с разным фокусным
расстоянием от расстояния между кристаллом и микролинзой.
Рис. 4. Зависимость коэффициента ввода для четырех типов линз от
расстояния между кристаллом и линзой.
В разделе также описаны технологии изготовления микролинз. В работе
были рассмотрены микролинзы, изготовленные методами плавления,
травления, механической полировки и комбинацией этих методов.
На первых этапах нашей работы изготавливались микролинзы на основе
сужающихся световодов. Сужающиеся световоды подразделяются на два типа:
световоды с сужающейся сердцевиной (рис. 5) и световоды с сужающейся
оболочкой.9
Рис. 5. Микролинзы на основе сужающихся волноводов.
Микролинзы на основе световодов с сужающейся сердцевиной
изготавливались методом вытягивания волокна при его плавлении в
электрической дуге. Метод плавления является самым производительным,
однако малая возможность регулировки формы линзы и в связи с этим
относительно небольшой достигаемый коэффициент ввода - на практике не
более 40% при вводе излучения из ПОУ диапазона 1550 нм в одномодовое
волокно. Данный метод позволяет получать линзы только сферической формы.
Микролинзы на основе световодов с сужающейся оболочной
изготавливались комбинацией методов травления и плавления. На таких линзах
удалось получить коэффициент ввода до 55%. Метод травления имеет
серьезные недостатки, связанные с высокой трудоемкостью, низкой
повторяемостью, низкой производительностью, вредностью производства и
ограниченностью только сферическими линзами.
Механический способ изготовления микролинз дает наибольший
коэффициент ввода ввиду возможности создать линзу любой заданной формы.
Данный способ изготовлении микролинз весьма трудоемок, особенно для
одномодовых волокон. В работе была разработана технология изготовления
цилиндрических микролинз (рис. 6). Цилиндрическая микролинза
изготовляется методом шлифовки и полировки торца волокна.
Рис. 6. Цилиндрическая микролинза.
Изготовленные таким методом цилиндрические микролинзы позволили
получить коэффициент ввода до 74% на активных элементах с низкой
расходимостью в параллельной плоскости p-n перехода плоскости (обычно это
активные элементы на длинах волн 1060 нм и меньше). На длинах волн 1300 и
1550 нм коэффициент ввода составил не более 62%.
Для достижения максимального коэффициента ввода были изготовлены
эллипсоидальные (пирамидальные) микролинзы (рис. 7).
Рис. 7. Пирамидальная микролинза а) после шлифовки, б) после
полировки.10
Процесс изготовления таких линз почти аналогичен изготовлению
цилиндрических линз. Оснастка для изготовления микролинз имеет скосы с
четырех сторон, а не двух, как при изготовлении цилиндрических линз. После
процесса шлифовки на конце волокна образуется пирамида с углами,
соответствующими углам в оснастке (рис. 7а). При полировке происходит
сглаживание верхушки пирамиды и образуется линза с разными радиусами в
параллельной и перпендикулярной плоскостях (рис. 7б). Изготовленные таким
методом линзы позволили получить коэффициент ввода до 79% на длине волны
1550 нм.
В шестом разделе рассмотрена технология согласования одномодового
волокна с активным элементом. Для осуществления стыковки активного
элемента с оптическим волокном была создана установка юстировки. Для того,
чтобы осуществить юстировку с максимальным коэффициентом ввода было
необходимо обеспечить возможность регулировки волокна по осям с точностью
до 0,1 мкм.
Для обеспечения длительного срока службы прибора была разработана
простая и надежная технология крепления волокна (рис. 8). Технология
основана на использовании стеклоприпоя. Стеклоприпой является
низкотемпературным стеклом, которое способно спаивать вместе
высокотемпературные материалы. Основными преимуществами стеклоприпоя
перед обычными припоями являются: коэффициент теплового линейного
расширения (КТЛР) близок к КТЛР оптического волокна; хорошая адгезия к
волокну без металлизации; не требует флюса; высокий модуль Юнга.
Для осуществления пайки необходимо разогревать стеклоприпой до
температуры 320-350 ºC. Для этой цели были изготовлены специальные
микропечки. Микропечка представляет собой ситалловую подложку, на
которую нанесены два нагревательных элемента и контактные площадки.
Подложка обладает низкой теплопроводностью и уменьшает нагрев остальных
элементов ПОУ. Нагревательный элемент представляет собой нихромовую
пленку толщиной ~ 1 мкм, шириной ~ 200 мкм и длиной ~ 1 мм.
Конструкция крепления с помощью стеклоприпоя показала хорошие
результаты при ресурсных испытаниях. Простота конструкции позволила
значительно снизить трудоемкость производства ПОУ по сравнению с
технологией лазерной сварки.
Рис. 8. Конструкция крепления волокна.
В третьей главе представлены результаты исследований основных
характеристик ПОУ.11
В первом разделе показаны вольт-амперные и ватт-амперные
характеристики ПОУ с длинами активных элементов 800, 1200 и 1600 мкм. На
ватт-амперной характеристике можно выделить две области. При небольших
токах на выходе кристалла наблюдаются в основном фотоны спонтанного
излучения. При дальнейшем повышении тока накачки мощность излучения
резко возрастает. В этом режиме доминирует вынужденное излучение, а
выходная мощность определяется спонтанными фотонами, усиленными при
прохождении по волноводу в активной области.
При проведении экспериментов усиленное спонтанное излучение (УСИ)
является самой простой характеристикой ПОУ, которую можно измерить.
Поэтому УСИ является очень полезным при тестировании ПОУ. В этом случае
экономятся время, так как нет необходимости в проведении достаточно
сложного измерения с помощью внешнего источника сигнала. Так же УСИ
достаточно для произведения хорошей юстировки кристалла и оптического
волокна.
Во втором разделе показаны спектральные характеристики ПОУ. На рис.
9 представлен спектр излучения усилителя с длиной кристалла 1200 мкм при
трех токах накачки без подачи на него излучения от сигнального лазера.
Рис. 9. Спектр излучения ПОУ при токах накачки 150, 225 и 300 мА.
Ширина спектра излучения составила более 35 нм. Максимум
соответствует длине волны 1535 нм. На основе моделирования и
экспериментальных данных было установлено, что спектр усиления ПОУ
примерно соответствует спектру излучения.
Отражения от граней активного элемента и микролинз приводят к
резонансному и антирезонансному усилению. Это явление заметно на спектре
излучения ПОУ (рис. 10).
Рис. 10. Неравномерность усиления ПОУ.12
Было установлено, что основной вклад в неравномерность усиления
дают обратные отражения от микролинз. Использование скошенных
цилиндрических и пирамидальных линз позволило снизить неравномерность до
0,5-0,8 дБ.
В третьем разделе рассмотрены особенности коэффициента усиления
ПОУ с квантово-размерными структурами.
В четвертом разделе проведено исследование усилительных свойств
ПОУ. Как видно из рис. 11 значение усиления определяется значением тока
накачки и мощностью входного сигнала, и носит экспоненциальный характер с
насыщением над пороговым уровнем тока накачки для положительного
коэффициента усиления. Максимальный коэффициент усиления составил 28 дБ
при входном сигнале 10 мкВт. При токе накачки ниже порога наблюдается не
усиление, а поглощение входного сигнала.
Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления ПОУ с длиной активного
элемента 1200 мкм от тока накачки при разных мощностях входного сигнала.
ПОУ с активным элементом длиной 1600 мкм позволяет добиться
максимального коэффициента усиления при одинаковой плотности токов
накачки (до 30 дБ), однако преимущество перед ПОУ с активным элементом
длиной 1200 мкм незначительно (1-2 дБ). Увеличение коэффициента усиления с
увеличением длины активного элемента замедляется из-за увеличения
неравномерности плотности носителей вдоль активного элемента ПОУ.
Максимальный коэффициент усиления ПОУ с длиной активного
элемента 800 мкм составил 22 дБ.
Поляризационная чувствительность усиления ПОУ составила более 10
дБ. Такая величина означает, что ПОУ усиливает только TE моду. Сильная
поляризационная чувствительность также является одной из причин
использования волокна с сохранением поляризации.
В пятом разделе исследована мощность насыщения ПОУ. Усиление ПОУ
зависит от уровня входного сигнала. До определенного уровня входной
мощности усиление практически постоянно, затем оно начинает13
экспоненциально падать (рис. 12) с ростом уровня входной мощности. Этот
"падающий" участок характеристики является областью насыщения усилителя
и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным
возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые
способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается
инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью
насыщения РН на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике
на уровне -3 дБ, при котором коэффициент усиления падает в 2 раза.
Рис. 12. Зависимость коэффициента усиления ПОУ с длиной активного
элемента 1200 мкм от выходного сигнала при токах накачки 150, 200, 250 и
300 мА.
Мощность насыщения увеличивается с увеличением длины активного
элемента. Основной причиной является более высокая мощность УСИ у более
длинных активных элементов, которое ограничивает максимально достижимый
коэффициент усиления. Для ПОУ с длиной активного элемента 1600 мкм
мощность насыщения составляет более 10 дБм.
В шестом разделе исследованы шумовые характеристики ПОУ.
Оптические усилители не только усиливают оптический сигнал, но и добавляют
к нему нежелательные флуктуации мощности (интенсивность шума).
Интенсивность шума может приводить к ухудшению принимаемого сигнала в
аналоговых системах, а так же к увеличению частоты появления ошибок в
цифровых системах. Вклад в интенсивность шума вносят:
• Биения между сигналом и спонтанным излучением
• Биения между компонентами спонтанного излучения
• Многолучевая интерференция
• Дробовой шум сигнала и усиленного спонтанного излучения (УСИ)
Биения между сигналом и спонтанным излучением возникают при
смешении или биении когерентного сигнала с некогерентным УСИ одной
поляризации.
Биения спектральных компонент УСИ одной поляризации также14
являются причиной шума. Этот шум зависит от полосы частот, и спектральная
плотность шума уменьшается с ростом полосы частот. При отсутствии
фильтров спектр интенсивности биений, в принципе, может быть таким же
широким, как ширина полосы усиления оптического усилителя (> 5000 ГГц).
Шум многолучевой интерференции (МЛИ) возникает при
преобразовании фазового или частотного шума сигнала в интенсивность шума.
В различных компонентах оптического усилителя (линзы, изоляторы,
разветвители и т.д.) возникают оптические отражения при прохождении
сигнала. Эти отражения преобразуют фазу сигнала и флуктуации частоты в
интенсивность шума. Оптические отражения также могут увеличить мощность
УСИ.
Согласно терминологии IEC (Международная электротехническая
комиссия) коэффициент шума F определяется выражением
SNR in
F ( υ , f )= (1)
SNR out ( υ , f )
где SNRin — отношение сигнал-шум (ОСШ) на входе оптического
усилителя и SNRout — ОСШ на его выходе. В общем случае коэффициент шума
является функцией оптической частоты υ и полосы частот f. Для того, чтобы
обеспечить повторяемость измерений, необходимо, чтобы величина SNRin была
известной и фиксированной.
Основной принцип измерения коэффициента шума показан на рис. 13.
Коэффициент шума описывает ухудшение ОСШ при включении компонента
(усилителя) в цепь. На практике это достигается измерением с помощью
фотоприемника входного и выходного ОСШ, используя метод подстановки.
Рис. 13. Принципиальная схема измерения коэффициента шума. ОФ —
оптический фильтр, ОК — оптический коннектор.15
Коэффициент шума может быть характеризован с использованием
оптических или оптоэлектронных методов. При оптическом измерении
коэффициент шума может быть характеризован измерением плотности УСИ
(ρASE) и коэффициента усиления с помощью оптического анализатора спектра. В
оптоэлектронном методе используются фотодетектор и радиочастотный
анализатор спектра для измерения интенсивности шума. При оптоэлектронном
методе коэффициент шума зависит от полосы частот.
Для измерение оптического уровня шума необходимо знать
спектральную плотность УСИ той же поляризации, что и сигнал, длину волны
сигнала, коэффициент усиления (G) и спектральную плотность спонтанного
излучения источеика (ρSSE). Модифицированное уравнение для расчета
коэффициента шума будет выглядеть
2 ρ ASE 1 2 ρ SSE
F= + − (2)
G hν G hν
Спектральная характеристика усиленного сигнала показана на рис. 14.
Рис. 14. Спектральная характеристика усиленного сигнала.
На рис. 15 показана зависимость коэффициента шума от входной
мощности. Зависимость от входной мощности сильнее для ПОУ с большей
длиной кристалла. Уменьшение коэффициента шума с ростом входной
мощности связано с уменьшением обратного усиленного спонтанного
излучения и, соответственно, увеличением плотности носителей рядом с
входной гранью. Как было показано выше, если рассматривать ПОУ как каскад
небольших усилителей, то наибольший вклад в коэффициент шума даст первый
усилитель. Чем выше инверсия населенности в таком усилителе, тем ниже
будет коэффициент шума. Коэффициент шума начинает расти, когда входной
сигнал становится достаточно сильным, чтобы насытить области усилителя
около входной и выходной граней.16
Рис. 15. Зависимость коэффициента шума от входной мощности для
ПОУ с длиной кристалла 800, 1200 и 1600 мкм.
Основные характеристики ПОУ при токе накачки 300 мА и входном
сигнале 10 мкВт приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметр Значение Единицы
Полоса усиления 38 нм
Максимум усиления 1532 нм
Коэффициент усиления 30 дБ
Мощность насыщения 10 дБм
Поляризационная чувствительность 10 дБ
Неравномерность усиления 0,8 дБ
Коэффициент шума 6 дБ
В седьмом разделе были проведены ускоренные ресурсные испытания
ПОУ в течение 5000 часов при температурах 25, 50 и 70 ºC (рис. 16). Время
жизни приборов составило более 100 тысяч часов при токах накачки более 300
мА.
Рис. 16. Ресурсные испытания ПОУ при токе 300 мА.17
В четвертой главе представлены результаты исследования ПОУ в
режиме ПКЛ.
В первом разделе была составлена методика исследования ПОУ в
режиме ПКЛ. На рис. 17 приведена схема установки по измерению основных
характеристик ПОУ в режиме ПКЛ.
Рис. 17. Схема экспериментальной установки по измерению основных
характеристик ПКЛ.
ПОУ замкнутый кольцом волокна питался постоянным током накачки,
температура модуля поддерживалась на уровне 25 ºС. Излучение из кольцевого
резонатора с помощью волоконного ответвителя выводилось на оптический
анализатор спектра «ANDO» и на фотоприемник, сигнал с которого подавался
на вход радиочастотного анализатора спектра GW-Instek 7830.
Во втором разделе представлены ватт-амперные и спектральные
характеристики ПОУ в режиме ПКЛ. На рис. 18а показана ватт-амперная
характеристика ПОУ в режиме ПКЛ, а на рис. 18б его спектральная
характеристика.
(а) (б)
Рис. 18. Ватт-амперные (а) и спектральные (б) характеристики ПОУ в
режиме ПКЛ.18
Пороговый ток генерации ПКЛ составил 60 мА. В режиме генерации
при токе накачки 190мА мощность излучения составила 14 мВт. При этом
мощность суперлюминесцентного излучения, т.е. до замыкания кольца (режим
усилителя), составляла 2,5 мВт при том же токе.
Спектр генерации ПКЛ имел полуширину линии 0,1 нм на длине волны
1540,2 нм, в то время как спектр суперлюминесцентного излучения усилителя
(до замыкания кольца) имел полуширину линии излучения более 30 нм на
длине волны 1536,4 нм.
В третьем разделе показаны спектральные характеристики ПОУ в
режиме ПКЛ на основе волокна с сохранением поляризации.
Если в кольцевой резонатор включено волокно с сохранением
поляризации (или резонатор полностью состоит из такого волокна), то оно
совместно с ПОУ образует интерференционно-поляризационный гребенчатый
фильтр (фильтр Лио). Принцип действия фильтра основан на том, что свет,
попадая в волокно с сохранением поляризации, распадается на две волны —
обыкновенную и необыкновенную, плоскополяризованные во взаимно
перпендикулярных плоскостях. Обе волны распространяются в волокне по
одному и тому же направлению, но с разными фазовыми скоростями. В
результате, проходя через волокно определенной длины, колебания в этих двух
волнах приобретают некоторую разность фаз, а следовательно,
соответствующую разность хода, определяемые выражением
2π
δ= ( n −n ) L (3)
λ e o
где no и ne — соответственно показатели преломления обыкновенного и
необыкновенного лучей, L – длина волокна.
Вследствие взаимной перпендикулярности колебаний обыкновенная и
необыкновенная волны не могут интерферировать между собой. При этом
получается свет, поляризованный эллиптически. Если далее эти волны
пропустить через поляризатор, то он из каждой волны пропускает лишь те
компоненты, которые поляризованы в одной плоскости, т.е. выделяет из обеих
когерентных волн колебания одного направления. Далее волны интерферируют
между собой в зависимости от разности хода, полученной ими в волокне.
Следовательно, интенсивность света будет зависеть от разности фаз,
приобретенных в волокне обеими волнами. Роль поляризатора играет активный
элемент ПОУ, усиливающий в основном только одну поляризацию.
Свободный спектральный интервал, равный расстоянию между
соседними максимумами пропускания фильтра, зависит от длины волокна с
сохранением поляризации:
2
Δ λ= λ
(4)
L(ne −no )
На рис. 19а показан оптический спектр ПКЛ при длине волокна с
сохранением поляризации 1 м.19
(а) (б)
Рис. 19. Оптический спектр ПКЛ при длине волокна с сохранением
поляризации 1 м и температуре активного элемента ПОУ а) 25 ºC б) 35 ºC.
При такой длине волокна свободный спектральный интервал составляет
4,8 нм и необходимое для генерации усиление обеспечивается только для
одного максимума пропускания фильтра. Ширина линии излучения составляет
0,012 нм, что близко к разрешающей способности анализатора спектра.
При увеличении температуры активного элемента ПОУ происходит
смещение усиления в длинноволновою область. При температуре 35 град
необходимое усиление достигается только для второго максимума (рис. 19б).
При увеличении длины волокна с сохранением поляризации происходит
уменьшение свободного спектрального интервала и в генерацию могут выйти
одновременно две и более линии, соответствующие максимумам пропускания
фильтра. На рис. 20 показан оптический спектр ПКЛ при длине волокна с
сохранением поляризации 10 м.
Рис. 20. Оптический спектр ПКЛ при длине волокна с сохранением
поляризации 10 м.20
При такой длине свободный спектральный интервал составляет 0,5 нм и
генерация осуществляется одновременно на 9 линиях (при равномерности 3
дБ).
В четвертом разделе была определена зависимость ширины линии ПОУ
в режиме ПКЛ от различных факторов. Основными факторами являются
коэффициент ввода, коэффициент ответвления и длина резонатора. На рис. 21
показана зависимость ширины линии от длины резонатора. Наблюдение
продольных мод ПКЛ возможно при использовании методики спектрального
анализа радиочастотного сигнала с фотоприемника.
Рис. 21. Зависимость ширины линии от длины резонатора.
В пятой главе представлена физико-математическая модель ПОУ и
результаты моделирования. В нашей работе была создана
физико-математическая модель ПОУ, которая позволяет определять
характеристики ПОУ с достаточно высокой точностью. Распределение
носителей по длине ПОУ не является равномерным, поэтому модель основана
на разбиении активного элемента ПОУ на продольные секции. Модель основана
на ряде связанных дифференциальных уравнений, которые описывают
взаимодействие между внутренними переменными усилителя, такими как
плотности носителей и фотонов. Решение этих уравнений позволяет
предсказать такие внешние параметры, как усиление волокно-волокно и
среднюю величину шума на выходе.
Основные результаты работы
В настоящей работе представлены результаты создания и исследований
полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) на длину волны 1550 нм.
Рассмотрена конструкция ПОУ на основе квантово-размерных InGaAsP/InP
структур. Разработаны физико-технологических основы создания
полупроводниковых оптических усилителей. Разработана конструкция и
технология изготовления полупроводникового оптического усилителя. Изучены
факторы, влияющие на основные характеристики ПОУ. Исследованы основные
характеристики ПОУ: коэффициент усиления, чувствительность, спектр
усиления, температурные характеристики, мощность насыщения, коэффициент
шума, ресурс работы. Исследованы характеристики ПОУ в режиме21
полупроводникового кольцевого лазера. Рассмотрены особенности ПОУ с
резонатором на основе волокна с сохранением поляризации. При замыкании и
размыкании кольцевого резонатора, а также при изменении его радиуса
исследованы изменения порогового тока, длины волны и спектра излучения.
В настоящей диссертации были получены следующие результаты:
1. Разработана и реализована надежная технология юстировки и крепления
оптических волокон с сохранением поляризации относительно активного
элемента ПОУ.
2. Проведен расчет параметров линзы для достижения максимального
коэффициента ввода. На основе расчета изготовлены сферические,
цилиндрические и пирамидальные линзы методами плавления, травления,
шлифовки и комбинацией этих методов. Получен коэффициент ввода в
одномодовое волокно до 78%.
3. Проведены исследования ПОУ с улучшенными характеристиками.
Исследованы основные характеристики ПОУ с длинами активных
элементов 800, 1200 и 1600 мкм. Коэффициент усиления составил 30 дБ,
мощность насыщения более 10 дБм, коэффициент шума 6 дБ.
4. Проведены исследования ПОУ в режиме кольцевого лазера на основе
оптического волокна с сохранением поляризации. Показана возможность
генерации как в одночастотном, так и в многочастотном режиме с
заданным свободным спектральным интервалом.
5. Создана адекватная модель ПОУ.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. В.В. Акпаров, В.П. Дураев, С.В. Медведев, Полупроводниковые
кольцевые лазеры и датчики вращения на их основе, Датчики и системы,
№5, с. 34-39, 2012 г.
2. Дураев В.П., Медведев С.В., Полупроводниковые оптические усилители в
диапазоне длин волн 840-1550 нм, Научное приборостроение, т. 22, № 3,
с. 53-57, 2012 г.
3. В. В. Акпаров, В. П. Дураев, С. В. Медведев. Датчики вращения на основе
полупроводникового оптического усилителя. Приборы и техника
эксперимента, № 2, с. 84-88, 2013.
4. В.П. Дураев, С.В. Медведев. Полупроводниковый лазер с кольцевым
волоконным резонатором. Квант. электроника, 2013, 43 (10), 914–916.
Другие публикации и материалы конференций
1. В.Дураев, А. Казаков, С.Медведев, Полупроводниковый оптический
усилитель, Фотоника, 19, №1, с. 16, 2010 г.
2. В.Акпаров, В.Дураев, С.Медведев, Одночастотный ВБР-лазер для DWDM
на длине волны 1550 нм, Фотоника, 34, №4, с. 34, 2012 г.
3. Дураев В.П., Медведев С.В., Перестраиваемые одночастотные лазеры
полупроводниковые лазеры, тезисы доклада, Полупроводниковые лазеры:
физика и технология, 3-й российский симпозиум, Санкт-Петербург, 13-16
ноября 2012 г.22
4. Перестраиваемые полупроводниковые лазеры для передачи информации,
Дураев В.П., Медведев С.В., Обозрение прикладной и промышленной
математики, XIII Всероссийский симпозиум по прикладной и
промышленной математике, т. 19, выпуск 4, 2012 г.
5. Дураев В.П., Медведев С.В, Перестраиваемые одночастотные
полупроводниковые лазеры, тезисы доклада, Международная
конференция «Лазеры, измерения, информация», Санкт-Петербург, 5-7
июня 2012 г.
6. V.V. Akparov, V.P. Duraev, S.V. Medvedev, Single mode tunable
semiconductor lasers with FBG, International Conference on Tunable Diode
Laser Spectroscopy, Moscow, June 17-21, 2013.
Литература
1. Y.Kim, H.Jang, Y.Kim, J.Lee, D.Jang, J.Jeong. Transmission performance of
10-Gb/s 1550-nm transmitters using semiconductor optical amplifiers as
booster amplifiers. Journal of Lightwave Technology, vol. 21, pp. 476-481,
2003.
2. Y. Awaji, H. Sotobayashi, and F. Kubota. Transmission of 80 Gb/s × 6 WDM
over 100 km Using Linear Optical Amplifiers. IEEE Photon. Technol. Lett.,
17(3), pp. 699–701, 2005.
3. J.Sugawa, H.Ikeda. Development of OLT using semiconductor optical
amplifiers as booster and preamplifier for loss-budget extension in 10.3-Gb/s
PON system. Optical Fiber Communication Conference and Exposition
(OFC/NFOEC), 2012 and the National Fiber Optic Engineers Conference, pp.
1-3, 2012.
4. В.В.Акпаров, В.Г.Дмитриев, В.П.Дураев, А.А.Казаков.
Полупроводниковый кольцевой лазер и исследование его характеристик в
режиме датчика вращения. Квантовая электроника, 40, № 10, 2010.
5. Sunada S., Tamura S., Inagaki K., and Harayama T. Ring-laser gyroscope
without the lock-in phenomenon, Physical Review A 78, 053822, 2008.
6. P.Baveja, Y.Xiao, S.Arora, G.P.Agrawal, D.N.Maywar. All-Optical
Semiconductor Optical Amplifier-Based Wavelength Converters With
Sub-mW Pumping. Photonics Technology Letters, IEEE, Vol. 25 (1), pp.
78-80, 2013.
7. E.Udvary, T.Berceli. Theoretical and experimental study of the linearity of
semiconductor optical amplifier based optical modulator in subcarrier
multiplexed systems. Transparent Optical Networks (ICTON), 12th
International Conference, pp. 1-4, 2010.
8. E.Udvary, V.Bartoss, M.Chacinski, R.Schatz, T.Berceli, P.Fonjallaz. Reduction
of dispersion induced distortions by semiconductor optical amplifiers.
Microwaves, Radar and Wireless Communications, 2008. MIKON 2008, 17th
International Conference, pp. 1-4, 2008.
9. Y.Khorrami, V.Ahmadi, M.Razaghi. Tb/s all-optical nonlinear switching using
semiconductor optical amplifier based Mach-Zehnder interferometer. Electrical
Engineering (ICEE), 20th Iranian Conference, pp. 118-123, 2012.Вы также можете почитать
