Laserske diode –

laserski izvori svetlosti

1

Kao izvor svetlosti u optičkim komunikacijama koriste se laser i LED diode

(Light Emitting Diode). Postoji više vrsta lasera: LASER (Light Amplification

by Simulated Emission of Radiation), VCSEL laser (Vertical Cavity Surface

Emitting Lasers) ili ILD (injekcijska laserska dioda).

Laser omogućava izuzetno precizno fokusiranje mlaza te se tako može

upravljati upadnim uglom. Zbog velike usmerenosti i velike snage laserski

signali zadržavaju svoje karakteristike i na velikim rastojanjima. Koristi se

kod monomodnih vodova (SM – Single Mode), koji imaju uže jezgro gde se

svetlosni zrak pod nultim uglom emituje u svetlovod. Koristi se jedna radna

frekvencija svetlosti.

2

LASERSKI IZVORI SVETLOSTI

Laserska dioda (LD), poznata i kao injekcijska laserska dioda (ILD), je poluprovodnički

laser u kome je aktivni medijum formiran kao PN spoj. Radi slično kao i LED, ali je

efikasnija i omogućava veću brzinu prenosa podataka.

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) je poluprovodnički zasnovana laserska

dioda koja emituje visoko efikasan optički snop vertikalno od svoje gornje površine, za

razliku od lasera koji svetlost emituju sa bočne strane.

VCSEL ima optičku osu duž ose prostiranja struje, za razliku od lasera čija je optička osa

normalna na pravac prostiranja struje. Samim tim je i snop svetlosti fokusiraniji nego kod

lasera.

3

LASERSKE DIODE

Rad laserske diode se zasniva na procesu stimulisane emisije zračenja.

Za razliku od ostalih lasera (gasni, čvrstog stanja) kod poluprovodničkih lasera ne

postoje izolovani energetski nivoi, nego se radijativni prelazi elektrona odvijaju

između stanja provodne i valentne zone.

Radi ostvarenja pojačanja zračenja putem stimulisane emisije, potrebno je prethodno

"pumpanjem" lasera ostvariti inverziju populaciju .

Spojimo li lasersku diodu na izvor napajanja tako da bude propusno polarizovana

(pozitivni pol na p-, a negativni pol na n-sloj) šupljine iz p-sloja i elektroni iz n-sloja

biće injektirani u pn-spoj gde se stvara inverzija naseljenosti.

Kod poluprovodničkih lasera najznačajniji je prolazak struje kroz direktno polarisani

p-n spoj diode. Na taj način se ostvaruje injekcija nosilaca u okolini p-n spoja, pa se

ovakvi laseri nazivaju injekcionim.

Jednostavnom modulacijom struje kroz p-n spoj, moguće je modulisati izlaznu snagu

laser diode do frekvencija reda GHz.

Za "pumpanje" se mogu primeniti i druge tehnike kao što su optičko pobuđivanje ili

bombardovanje elektronskim mlazom.

4

Oblast u kojoj se ostvaruje inverzija populacije, tj. oblast u kojoj postoji optičko pojačanje putem stimulisane emisije, naziva se aktivna oblast.

Za generisanje laserskog zračenja neophodno je da aktivna oblast bude smeštena unutar rezonatora u okolini p-n spoja tj. između dve paralelne refleksione površine. Ovaj rezonator obezbeđuje višestruki prolazak svetlosti kroz aktivnu oblast. Pri svakom novom prolasku intenzitet svetlosti se putem stimulisane emisije pojačava.

Ove refleksione površine se dobijaju ili poliranjem stranica diode tako da se na površinama dioda- vazduh ostvaruje delimična refleksija svetlosti ili se dioda smešta između dva ogledala od kojih je jedno polutransparentno pa se jedan deo zračenja propušta, a jedan deo reflektuje

Ako pojačanje emisije svetlosti (kao posledica stimulisane emisije) uspekompenzovati gubitak fotona usled apsorpcije i difuzije iz pn-spoja može se pojavitilaserski efekt, odn. laserska emisija.

Laserski rezonator se najčešće izvodi planparalelnim ogledalima (FP - Fabry-Perot rezonator). 5

6

LASERSKE DIODE

Laserska dioda kao rezonator u kome je omogućen višestruki prolaz

fotona kroz aktivnu oblast

7

Laserske diode imaju znatno uži dijagram prostornog zračenja u odnosu na LED.

Za InGaAsP laser sa dvostrukom heterostrukturom koji zrači na talasnoj dužini od 1310nm, dati su kataloški dijagrami prostornog zračenja po horizontalnoj ivertikalnoj ravni

8

Prostorni dijagrami zračenja laser diode u a) horizontalnoj i b) vertikalnoj ravni.

RAZVOJ LASERSKIH DIODA Prvi injekcioni laser bio je jednostavan p-n spoj od GaAs, paralelopipednog oblika

Dve naspramne strane koje emituju svetlost su glatko odsečene i poseduju izvesnu refleksivnost zbogvelikog indeksa prelamanja GaAs, te na taj način formiraju rezonator.

Nedostatak ovih lasera je velika gustina struje praga te je korišćen samo na temperaturi tečnoghelijuma (77K) i to samo u impulsnom režimu.

Razlozi zbog kojih je struja praga tako velika jesu neprecizno definisana oblast sa inverzijompopulacije (usled difuzije nosilaca) i nepotpuna lokalizovanost svetlosti unutar aktivne oblasti.

Ovi nedostaci se mogu prevazići ako se sa obe strane aktivnog sloja postavi po jedan slojpoluprovodnika sa većim energetskim procepom, a manjim indeksom prelamanja.

Na taj način potencijalne barijere na mestima heterospojeva u potpunosti lokalizuju injektovanenosioce unutar aktivnog sloja.

Aktivna oblast ima veći indeks prelamanja nego okolni slojevi, te je ostvarena lokalizacija fotona u aktivnoj oblasti. Ovakva višeslojna struktura naziva se heterostruktura

Pored debljine i širina aktivne oblasti treba da bude što manja da bi struja praga bila što manja, i da bi se ostvarila što bolja usmerenost zračenja.

9

Laserske diode kod kojih se usredsređivanje talasa po lateralnom pravcu vrši optičkim pojačanjem nazivaju se pojačanjem vođeni laseri ili trakasti laseri).

Kod njih struja dominantno teče kroz jednu usku oblast pa se i samo optičko pojačanje ostvaruje u toj uskoj aktivnoj oblasti.

Oblast proticanja struje obično je ograničena izolatorom.

Drugu vrstu laser dioda čine indeksom vođeni laseri.

Kod njih se talasi usredsređuju u lateralnom pravcu, promenom indeksa prelamanja u istom pravcu.

Većina njih ima konfiguraciju ukopane heterostrukture (BH - Buried heterostructure), kod kojih je aktivna oblast sa svih strana okružena materijalom većeg energetskog procepa i manjeg indeksa prelamanja.

10

a) Trakasti laser i b) planarni BH heterostrukture. Aktivna oblast je zatamnjena

Laserski efekt javlja se u ravnini pn-spoja ako kroz njega teče struja elektrona dovoljno velike gustine

Poluprovodnički diodni laser nema spoljnih ogledala.

Višestruka refleksija unutar rezonatora lasera događa se na izlaznim ravninama kristala poluprovodnika čija je prirodna refleksivnost samo oko 30%.

11

Realna struktura poluprovodničkog lasera.

Slika je dobivena SEM mikroskopom. Najčešći

postupak dobivanja laserskih struktura je tzv. MOCVD

(metallo-organic chemical vapor deposition)

Skica iste strukture

Širina aktivnog laserskog

sloja (crveno) je oko 3 µm,

a debljina oko 0.3 µm.

Dužina aktivnog laserskog

sloja je 200-300 µm

Kod lasera sa FP rezonatorom u prelaznom režimu uvek postoji više longitudinalnih

modova.

Tek posle izvesnog vremena se, zahvaljujući različitom pojačanju na različitim

talasnim dužinama, izdvaja osnovni mod.

Pri velikim brzinama modulacije laserska dioda stalno radi u prelaznom režimu, pa su zbog toga

FP laseri u takvim primenama nepovoljni.

12

Laser diode koje su i u prelaznom režimu

monomodne nazivaju se dinamički

monomodne (DSM - Dynamic Single Mode)

laser diode.

Kod ovih lasera postoji selektivna zavisnost

povratne sprege od talasne dužine, što je

ostvareno ugrađivanjem uzdužne optičke rešetke

u heterostrukturu lasera.

Na slikama su dati kataloški dijagrami zračenja za

laser diodu

sa FP rezonatorom i jednu DSM laser diodu

Spektri zračenja a) heterostrukturne laser diode

sa klasičnim FP rezonatorom i b)

dinamički monomodne laser diode.

Dva osnovna tipa dinamički monomodnih dioda su: struktura sa raspodeljenim

Bragovim reflektorom (DBR - Distributed Bragg Reflector) i struktura sa

raspodeljenom povratnom spregom (DFB - Distributed FeedBack).

13

Šematski prikaz a) DBR i b) DFB lasera. Aktivna oblast je zatamnjena.

Pojačanje na pragu laserskog efekta

Da bi se ostvarila laserska emisija potrebno je da optičko pojačanje bude dovoljno

veliko (tj. stimulisana emisija dovoljno intenzivna), da pokrije sve gubitke fotona u

rezonatoru.

U ove gubitke spada i korisno svetlosno zračenje. Kada se pobuda poveća do te

mere da se pojačanje izjednači sa sumom svih gubitaka, nastupa prag laserskog

efekta, okarakterisan naglim porastom amplitude nekoliko centralnih modova.

Ispod praga laserskog efekta, laser se ponaša kao pojačavač spontane emisije.

Da bi se odredilo pojačanje na pragu laserskog efekta, polazi se od izraza za

intenzitet zračenja u laserskoj diodi:

gde je g optičko pojačanje, z koordinata po dužini lasera, R 1 i R 2 refleksivnosti ogledala

rezonatora, a α su gubici usled apsorpcije, rasejanja.

Prag laserskog efekta nastupa kada se optičko pojačanje izjednači sa sumom svih gubitaka u

rezonatoru. Iz uslova da je I(2L)=I(0), gde je L dužina rezonatora, dobija se izraz za pojačanje na

pragu laserskog efekta:

Drugi sabirak predstavlja gubitke usled transmisije zračenja kroz ogledala rezonatora

Statička karakteristika i uticaj temperature na rad laser diode

Zavisnost izlazne optičke snage od pobudne struje laser

diode pri različitim temperaturama.

• U toku rada usled proticanja struje kroz laser diodu, dolazi do pojave disipacije koja u

velikoj meri utiče na vek trajanja diode.

• Disipacija je najizraženija u aktivnom sloju.

• Materijal je tada podvrgnut velikom temperaturnom gradijentu i jakim mehaničkim

naprezanjima.

• Pored toga GaAs ima lošije mehaničke i temperaturne osobine od Si. Zbog toga dolazi do

naglog opadanja intenziteta svetlosti. Ono je propraćeno stvaranjem “tamnih linija” koje

slede kristalografske ose, a nastaju zbog smanjenja vremena života osnovnih nosilaca

naelektrisanja.

• Nakon naglog opadanja intenziteta svetlosti, u toku daljeg rada intanzitet svetlosti

se sporije smanjuje, što zavisi od vrste i količine primesa, čistoće osnovnog poluprovodnika

itd.

• Pri većim izlaznim snagama zračenja, zbog grejanja

spoja, javlja se smanjenje nagiba statičke karakteristike.

• Na statičkoj karakteristici se takođe uočava, jedna od

važnih karakteristika, struja praga laserskog efekta.

• Kod poluprovodničkih lasera sa porastom temperature

optička snaga drastično opada, struja praga se

povećava, a zavisnost optičke snage od pobudne struje

je sve nelinearnija.

16

Postoje dva tipa laserskih dioda

Laserska dioda kojа svetlost emituju sa bočne strane –(Edge Emitting LASER)

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) je poluprovodnički zasnovana laserska

dioda koja emituje visoko efikasan optički snop vertikalno od svoje gornje površine

VCSEL ima optičku osu duž ose prostiranja struje, za razliku od lasera čija je optička osa

normalna na pravac prostiranja struje. Samim tim je i snop svetlosti fokusiraniji nego kod

lasera.

Dužina aktivne oblasti je mala u odnosu na bočne dimenzije tako da svetlost izlazi kroz

površinu, a ne kroz ivice. Reflektori na krajevima šupljine su dielektrična ogledala

napravljena od naizmeničnih slojeva debljine četvrtine talasne dužine sa visokim i niskim

indeksom prelamanja. Zbog velikog odbijanja od ogledala VCSEL imaju nižu izlaznu snagu

u poređenu sa laserom koji emituje sa ivice.

17

(VCSEL)

Edge Emitting LASER

IZGLED POLUPROVODNIČKE LASERSKE DIODE

Većina laserskih dioda male snage se nalazi u kućištu tranzistorskog tipa (sl.1), a

manji deo ima kućišta drugih oblika. Standardni promeri su 9 i 5.6 mm (sl. 2).

Laserske diode koje se koriste u optičkim komunikacijskim sistemima dolaze u

kućištu koje na prozoru ima ugrađen (nalijepljen) svetlovod (slike 3 i 4).

18

19

• Okruglo kućište zatvoreno je hermetički, s prednje strane (gore) ima tanki

stakleni prozor kroz koji prolazi laserska svetlost, a sa zadnje strane tri električna

kontakta (nožice).

• U kućištu se nalazi ne samo laserski čip mikronskih dimenzija, približno 0.5 x 5 x

300 mikrona (desno na slici, strelice označavaju snopove svetlosti), nego i jedna

integrisana fotodioda, takođe mikronskih dimenzija.

• Ona služi za praćenje intenziteta svetla lasera koje dolazi iz zadnjeg ogledala

laserske diode.

• Ova fotodioda, u principu, omogućava kontrolu snage i talasne dužine zračenja

lasera opto-elektronskom povratnom vezom, preko odgovarajućeg sklopa koji je

deo elektronike za napajanje diode

PRIMENA LASERSKIH DIODA

Laserske diode postale su gotovo najbitniji proizvod opto-elektroničke industrije.

Prednosti laserske diode su mnogostruke: to je monohromatski, koherentni i kolimirani izvor svetla.

Kompaktan je, lagan, dugog životnog veka, te male potrošnje električne energije.

Osim toga - što je vrlo važno u komunikacijama - može ih se direkno modulirati i to vrlo visokim frekvencijama.

Područja savremene tehnike gde se koriste laserske diode:

Obrada informacijaAudio-vizuelna (kućna) tehnikaUređaji za komunikacijeMerni i kontrolni instrumentiMedicinski aparati

Vojna industrija

20

21

CRVENI I ZELENI LASER POINTER

22

23

• CD-ROM uređaj čita podatke sa diska tako što posmatra spiralnu traku na kojoj su brazde.

• Ovaj posao obavlja poluprovodnički (GaAs) infracrveni laser slabe snage. On generise zrak

talasne duzine 780nm, koji prolazi kroz providan plastičan sloj i udara u metalni sloj.

• Reflektovana svetlost prolazi kroz prizmu i ulazi u fotosenzor - signal na njegovom izlazu je

proporcionalan količini svetlosti na njegovom ulazu. Važna je činjenica, da se faza svetlosti

koja se odbije od brazde pomera za 180 stepeni. Razlika u intenzitetu svetlosti odbijene sa

brazde i intenzitetu svetlosti odbijene sa ravne povrsine se meri u fotoelektričnim ćelijama i

pretvara u električne impulse.

• Rezultat je da se nizovi brazdi i ravne međupovrsi (,,izbočine") interpretiraju kao nizovi nula

i jedinica.

• Dodatan problem predstavlja činjenica da diskovi nisu

savrseno ravni tj. kada se okreću dolazi do horizontalne

devijacije i postaje problem pratiti spiralnu traku.

• Postoji vise metoda za resavanje ovog problema -

najčesće se koristi metoda sa tri zraka. U ovom slučaju

se zrak iz lasera ne emituje direktno na povrsinu diska,

već kroz difrakcionu resetku koja proizvodi dva dodatna

zraka, sa svake strane glavnog zraka.

• Zraci posle prolaze kroz sočivo koje ih čini paralelnim.

• Sustina metode je da se mere i upoređuju intenziteti dva dodatna zraka sa strane.

Dok su zraci van spiralne trake njihovi intenziteti su isti, svako horizontalno

pomeranje diska rezultuje razlikom u intenzitetima i tada servo motor repozicionira

polozaj sočiva.

• CD tehnologija ima ugrađene sisteme za korekciju gresaka i u stanju je da potisne većinu

gresaka koje potiču zbog čestica na povrsini diska.

CD ROM

24

Difrakcija ograničava veličinu fokusiranog snopa na osnovu talasne dužine emitovane

svetlosti, tako da talasna dužina ograničava gustinu skladištenja podataka. Kraće talasne

dužine omogućavaju veću gustinu skladištenja.

25

26