2.5. Сравнительная характеристика лазеров.

В таблице приведены основные параметры применяемых в настоящее время лазеров. Анализ этих данных приводит к выводу, что достаточно универсальным источником ко­герентного излучения для микрооптоэлектроники может быть лишь инжекционный полупроводниковый лазер.

Сравнивая полупроводниковые лазеры с другими типа­ми лазеров, можно выделить следующие достоинства полу­проводниковых лазеров:

1) малые массо-габаритные показатели и большое опти­ческое усиление (10³-10⁴см^-1 );

2) высокий КПД (почти 100%);

3) простота накачки лазера: инжекция не требует вы­соких питающих напряжений и мощностей;

4) высокое быстродействие;

5) возможность генерации излучения заданной длины волны в широком диапазоне, что достигается выбором по­лупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;

6) технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.

Современным полупроводниковым лазерам присущи та­кие недостатки:

1) относительно низкие параметры когерентности излу­чения (Δλ и Θ), что объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой вы­ходной апертурой;

2) низкая долговечность, равная для промышленных образцов 10²—10³ ч; в то же время теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров мо­жет быть выше 10⁵ ч.

Снижение долговечности реальных приборов прежде всего связывается с постепенной деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулируется очень высокими плотностями тока, а также потоков опти­ческой и тепловой мощности, которые характерны для ра­боты полупроводниковых лазеров.

Основным деградацнонным эффектом является увеличе­ние концентрации безызлучательных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых при­месей и образования новых дефектов. Кроме того, имеет место снижение активности излучательных центров и воз­растание поверхностной рекомбинации.

К числу важнейших технологических средств снижения деградации и соответственно увеличения долговечности полупроводниковых лазеров относятся:

1) выбор структурно однородного материала (как по электрическим, так и по теплофизическим параметрам);

2) совершенствование конструкции кристалла;

2. улучшение монтажа кристалла и теплоотвода.

В областях применения, требующих больших импульс­ных мощностей излучения в сочетании с высокой направ­ленностью (локация, подсветка целей, дальняя волоконно-оптическая связь и т. п.), наибольшие перспективы имеют твердотельные лазеры.

Газовые лазеры неизменно остаются вне конкуренции во всех тех устройствах и системах, где определяющей является высокая степень когерентности лазерного излуче­ния.

2.6. Лазерные модуляционные устройства

Модуляция лазерного излучения.

Модуляция лазерного излу­чения — это изменение одного или нескольких параметров излучения по заданному закону во времени или (и) в пространстве. Закон изменения модулируемого параметра излучения обычно соответствует изменениям передаваемой с помощью лазерного излучения информации. Другими словами: если лазерное излучение используется в качестве носителя информации, то информацию можно вводить в различные параметры лазерного излучения.

Например, если информация вводится в интенсив­ность излучения (меняется информация—меняется интенсивность), то говорят о модуляции интенсивности.

Частотная модуляция лазерного излучения связана с изменением частоты излучения в соответствии с изме­нениями информации, фазовая модуляция — с изменением фазы, моду­ляция поляризации — с изменением направления поляризации.

Функ­цию модуляции излучения выполняют модуляционные устройства, среди которых выделяют:

1. модуляторы—устройства для изменения по заданному закону во времени одного или нескольких параметров лазерного излучения (интенсивности, фазы, частоты или поляризации);

2. дефлекторы — устройства для изменения по заданному закону во времени положния пучка лазерного излучения;

3. пространственно-временные модуляторы (ПВМ) — устройства для изменения во времени по заданному закону пространственного рас­пределения интенсивности, фазы или поляризации пучка лазерного излучения.

Таким образом, ПВМ объединяют в одном устройстве функ­ции модулятора и дефлектора, что позволяет наиболее полно «загру­зить» информацией лазерное излучение в ПВМ.

Физические основы модуляции лазерного излучения. Наи­большее применение в модуляционных устройствах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические эффекты и магнитооптический эффект Фарадея, а также различные фотоэффекты.

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением опти­ческой анизотропии (неравномерности) в веществе под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества; Появление оптической анизотропии- следствие изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля.

Электрооптические эффекты сопровождаются обычно явлением двойного лучепреломления, т. е. расщеплением проходящего света на два луча. Эти лучи (называемые обыкновенным и необыкновенным) распространяются с различными скоростями и по-разному поляризова­ны. Если в таких кристаллах выделить два взаимно-перпендикулярных направления х, у, то показатели преломления света вдоль каждого из этих направлений будут, вообще говоря, различными. Обозначим пока­затели преломления по каждой из осей n_x и n_y. Тогда кристаллы, в ко­торых показатели преломления по каждой из осей различны (n_x ≠ n_y), будем называть двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оказываются оптически однородными, т. е. n_x = n_y =n_o , называются одноосными.

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кри­сталлу прикладывается электрическое поле, то равенство n_x = n_y на­рушается и кристалл становится двуосным. При этом скорости распро­странения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начи­нают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси г изме­няется линейно с напряженностью электрического поля:

n_o(E) =n_o+ r_ПE

где r_П - электрооптическая постоянная Поккельса;

Е - напряженность электрического поля;

n_o -показатель преломления в отсутствие поля.

Это изменение показателя преломления, пропорциональное напря­женности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса, называемого линейным электрооптическнм эффектом.

Под влиянием внешнего поля одноосный исходный кристалл приобретает свойства двухосного, становится оптически анизотропным- вследствие изменения коэффициента преломления. При прохождении световой волной неко­торого пути I в таком кристалле возникает разность фаз между обык­новенным и необыкновенным лучами:

По мере проникновения излучения в глубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. В зависимости от длины пути в кристалле и, соответственно, получив­шейся разности фаз поляризация выходного сигнала будет изме­няться так, как это показано в табл. .

Таблица .

Зависимость поляризации выходного луча от сдвига фаз обыкновенного и необыкновенного лучей

В соответствии с взаимной ориентацией направлений распростра­нения луча z и напряженности электрического поля Е выделяют про­дольный и поперечный эффекты Поккельса.

Находит применение в оптоэлектронике и электрический эффект Керра. Здесь зависимость показателя преломления от напря­женности электрического поля описывается соотношением

n_o(E)=no+ r_K E², (16)

где r_K — электрооптическая постоянная Керра.

Выражение (16) показывает, что эффект Керра характеризуется квадратичной зависимостью фазового сдвига от напряженности поля. Поэтому его называют квадратичным электрооптическим эффектом.

Магнитооптический эффект — это. изменение некоторых оптических параметров вещества под действием магнитного поля.

Магнитооптический эффект Фарадея может быть объяснен разли­чием в скоростях распространения оптических волн разной поляризации. Предположим, что линейно поляризованная монохроматическая свето­вая волна падает на вещество, помещенное в постоянное магнитное поле с индукцией В; направление распространения волны совпадает с направлением поля. Известно, что линейно поляризованная волна мо­жет быть представлена в виде суммы двух волн разной поляризации. Магнитное поле делает различными показатели преломления для этих волн. В результате после прохождения пути L в веществе возникает разность фаз этих волн пропорциональная магнитной индукции.

Среди фотоэффектов, приводящих к изменению оптических, пара­метров вещества, можно выделить фотохромный, фотокристаллический, а также эффект фотопроводимости.

Фотохромный эффект заключается в изменении окраски или про­зрачности вещества (неорганических стекол со специальными примеся­ми, органических полимеров) под действием светового потока коротко­волнового диапазона (ультрафиолетовое или коротковолновое видимое излучение). Для возвращения вещества в прежнее состояние требуется нагрев или воздействие светового потока с длиной волны ИК-Диа-пазона.

Фотокристаллический эффект наблюдают, например, в аморфных полупроводниках: под действием света высокой интенсивности происхо­дит кристаллизация вещества и, соответственно, изменение коэффициен­та преломления.

Эффект фотопроводимости. Изменение проводимости под воздействием потока излучения сказывается на опти­ческих параметрах вещества, в частности на показателе преломления, что позволяет использовать этот эффект для модуляции излучения.

Оптические модуляторы.

Модуляция излучения необходима для ввода информации в оптический сигнал. В соответствии с уравне­нием световой волны (1) информацию можно вводить в амплитуду, частоту, фазу и направление вектора поляризации. Далее модулирован­ный оптический сигнал поступает на фотоприемник. Современные фото­приемники реагируют только на интенсивность излучения. Поэтому наи­более распространенным видом оптических модуляторов являются мо­дуляторы интенсивности.

При использовании других типов модуляторов необходимо предварительное преобразование модулированного каким-либо образом сигнала в модулированный по интенсивности.

С помощью модулятора обеспечивается внешняя модуляция лазер­ного излучения, т. е. модуляция лазерного излучения вне излучателя лазера.

Возможна и внутренняя модуляция, которая осуществляется в са­мом лазере, путем изменения параметров лазерного активного элемента или резонатора. Внутренняя модуляция в полупроводниковых лазерах осуществляется за счет изменения режима накачки.

В газовых лазерах внутренняя модуляция возможна за счет изменения добротности опти-ческого резонатора. Следует подчеркнуть, что объединение в одном устройстве генерации и модуляции, как правило, ухудшает параметры лазерного излучения. Возникают побочные эффекты, которые приводят к снижению когерентности излучения.

В полупроводниковых лазерах, у которых внутреннее управление интенсивностью излучения наиболее просто и эффективно, внутренняя модуляция обычно вызывает рост порога генерации, ухудшение модового состава излучения.

Рис.13. Структурная схема электрооптического моду­лятора

Рассмотрим устройство электрооптического модулятора (рис.13). Основу модулятора составляют два кристалла одинаковых размеров. Кристаллографические оси кристаллов взаимно перпендикулярны, что обеспечивает компенсацию температурного влияния на модуляцию: тем­пературные изменения как бы вычитаются при прохождении оптическо­го сигнала последовательно через оба кристалла.

Как видно из рис.13, модулятор работает на электрооптическом эффекте Поккельса поперечного типа. Изменяя напряжение управления U_упр, т. е. изменяя напряженность электрического поля Е, можно регулировать фазу выходного оптического сигнала по отноше­нию к входному. Для преобразования изменения фазы в изменения интенсивности излучения на выходе электрооптического модулятора на­ходится анализатор.

Рис.14. Статическая характеристика пропускания оп­тического модулятора интенсивности:

а — без напряжения смешения; б — с напряжением смещения

График зависимости интенсивности излучения на выходе модулятора от управляющего напряжения (в относительных единицах ) изображен на рис. 4.16. Это управляющая характеристика модулятора. Процесс модуляции на рис. 4.16,а происходит без постоянного электрического смещения (U_см=0), которое прикладывается к тем же электродам, что и переменное U_упр. Модулятор при этом имеет низкую эффективность: при значительном изменении управляющего напряжения интенсивность излучения на выходе модулятора практически неизменна.

Если к модулятору приложить постоянное смещение (U_см= U_λ/2 рис. 4.16,6), то амплитуда переменной составляющей и глубина моду­ляции существенно увеличиваются. Модулятор работает на крутом участке управляющей характеристики.

Граничные частоты такого устройства составляют 10⁸ -10⁹ Гц. Ка­чество модулятора иногда характеризуют добротностью, которая равна отношению граничной частоты модулятора к мощности управления:

D_м=f_гр/Р_упр. (17)

Для электрооптических модуляторов это значение добротности близко к 10 МГц/мВт.

Рис. 15. Структурная схема магни­тооптического модулятора:

/ — активная среда; 2 — катушка; 3 — поляризатор; 4 — анализатор;

5 — линзы

Для изготовления модуляторов могут использоваться и магнито­оптические вещества, такие, например, как ферритгранаты или трех­бромистый хром. Принцип действия магнитооптических модуляторов (рис. 4.17) основан на эффекте Фарадея. При прохождении света через активную среду, помещенную в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации луча. Анализатор обеспечивает преобразование изменений направления поляризации в изменении амплитуды.

По быстродействию магнитооптические модуляторы значительно уступают электрооптическим (граничная частота обычно не превышает 10⁴ Гц). Кроме того, для их управления требуется большая напряжен­ность магнитного поля. Ограничивают применение магнитооптических модуляторов также малая глубина модуляции и сильное поглощение оптического излучения.

Тонкопленочные и полупроводниковые модуляторы.

Для при­менения в микрооптоэлектронике наиболее перспективны тонкопленоч­ные модуляторы, в которых используются те же физические эффекты, что и в объемных модуляторах. В качестве материалов, использующих электрооптический эффект, применяют ниобат и танталат лития и твер­дые растворы на их основе. При создании магнитооптических тонко­пленочных модуляторов удается повысить граничную частоту по сравнению с объемным аналогом прибора (до 10⁸ Гц). Оба вида модуляторов в тонкопленочном исполнении характеризуются низким на­пряжением управления (единицы вольт), что делает их совместимыми с микроэлектронными устройствами.

Исключительно перспективны для развития микрооптоэлектроники полупроводниковые модуляторы. Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых р-п переходах возникает в связи с тем, что при приложении обратного напряжения в области объемного заряда пере­хода изменяется концентрация свободных носителей. Это ведет к мо­дуляции диэлектрической проницаемости, а следовательно, и пока­зателя преломления п. Для объемных модуляторов этот эффект труд­но применять, так как излучение было бы необходимо вводить в узкую зону вдоль р-п перехода. В тонкопленочных структурах такое требо­вание легко обеспечивается. При использовании таких полупроводни­ков, как GaAs, GaP, управляющее, напряжение составляет единицы вольт.

Дефлекторы.

Дефлектор представляет собой устройство, предназначенное для изменения пространственного положения лазерно­го луча. Наибольшее применение, особенно в голографических системах хранения и обработки информации, нашли электрооптические и акусто-оптические дефлекторы.

Типичный электрооптический дефлектор представлен на рис.16. Он представляет собой многокаскадное устройство.

Рис. 16. Структурная схема электроопти­ческого дефлектора

Каждый каскад состоит из оптического модулятора поляризации 1 и двулучепреломляющего кристалла 2. С помощью модулятора обеспечивается плавное изменение поляризации излучения по заданному закону. В кристалле 2 излучение раздваивается, и так в каждом каскаде.

В зависимости от комбинации управляющих напряжений можно получить 2ⁱ дискретных положений в пространстве луча на выходе дефлектора (где i—число каскадов дефлектора). Общее число положе­ний луча в пространстве, достижимое в электрооптическом дефлекторе, определяется соотношением

N=φD/λ, (18)

где N -число положений луча; φ максимальный угол отклонения луча; D -апертура дефлектора; λ - длина волны.

Важным достоинством электрооптического дефлектора является высокое быстродействие: в устройстве с N=1000 время переключения составляет около 0,1 мкс. При увеличении N и соответственно числа каскадов дефлектора быстродействие ухудшается. Оптимальной являет­ся такая конструкция дефлектора, в которой при заданном N обеспе­чиваются минимальная мощность управления Р_упр и минимальное вре­мя переключения t_пер. Оптимизация достигается фокусировкой лазер­ного луча, проходящего через дефлектор, и уменьшением паразитной емкости электрооптических кристаллов. Таким образом, качество де­флектора, как и модулятора, можно характеризовать добротностью D_ф:

В дефлекторах используются те же материалы, что и в модулято­рах. Например, широко применяются кристаллы ниобата лития LiNbO₃ и др. Большое количество кристал­лов в дефлекторе выдвигает повы­шенные требования к параметрам исходных материалов и конструкции: требуется высокая прозрачность, а также исключительная точность обработки и монтажа каждого кри­сталла.

Находят применение в оптоэлектронике также акустооптические дефлекторы

Рис.17. Структурная схема акустооптического дефлектора

1 -активная среда; 2 - пьезоэлектриче­ский преобразователь - возбудитель; 3 - акустический поглотитель; 4 - возбужденная дифракционная решетка.

Принцип действия такого дефлектора основан на том, что при прохождении звуковой волны, создаваемой пьезоэлектрическим преобразователем, в активной среде возникают изменения показателя преломления, соответствующие обла­стям сжатия и разрежения. В результате образуется некоторая решетка, состоящая из областей с разными показателями преломления. Пе­риод изменения показателя преломления в решетке равен длине аку­стической волны, а его амплитуда пропорциональна амплитуде акусти­ческой волны и зависит от свойств активной среды. При попадании оптического излучения на такую решетку происходит его дифракция, т. е. изменение положения в пространстве. Управление пространствен­ным положением излучения достигается изменением частоты акустиче­ских колебаний и соответствующей перестройкой дифракционной ре­шетки.

Эффективность акустооптического материала определяется отноше­нием доли рассеянного излучения к мощности акустических колебаний. Наиболее перспективны, с этой точки зрения, такие кристаллические ма­териалы, как вульфинит (РЬМоО₄), парателлурит (ТеО₂), ниобат лития LiNbO₃) и некоторые другие.

Очевидно, что перестройка акустооптического дефлектора, т. е. до­стижение нового состояния дифракционной решетки, происходит лишь тогда, когда акустическая волна новой частоты пройдет через всю активную среду. Этим требованием определяется невысокая для оптоэлектроники (до 10⁶ Гц) граничная частота акустооптических дефлек­торов.

Пространственновременные модуляторы (ПВМ).

Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением. Пространственно-вре­менной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излу­чения задается подаваемыми на его входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение параметров лазерного излучения" задается подаваемым на его вход пучком оптического излучения.

Быстродействие ПВМ характеризуется временем релаксации t_рел — интервалом времени, в течение которого завершается переходный про­цесс изменения оптического параметра после подачи управляющего сиг­нала. Если действие управляющего сигнала прекращается, то происхо­дит восстановление оптических свойств веществ модулятора с той или иной скоростью. Длительность этого процесса характеризуют временем восстановления t_вoc. Различают три режима восстановления:

1) режим модуляции, при котором длительности процессов восста­новления и релаксации примерно одинаковы t_вос = t_рел;

2) режим переключения с памятью релаксационного типа-восста­новление происходит за время много большее, чем время релаксации t_вос > t_рел;

3) режим релаксации с долговременной памятью — в этом случае оптические свойства вещества не восстанавливаются: они сохраняются в измененном виде (t_вос →∞).

Можно выделить два способа электрического управления простран­ственно-временными модуляторами.

Первый способ применяют в ПВМ матричного типа: поверхность такого ПВМ разбита на ячейки, к каждой из которых приложено элек­трическое поле заданной напряженности. Таким образом, напряжен­ность управляющего электрического поля зависит от пространственных координат.

Второй способ состоит в использовании сканирующего по поверх­ности модулятора электронного луча. Интенсивность электронного луча изменяется во времени по заданному закону управления.

ПВМ с электрическим управлением обычно служат для преобразо­вания электрического сигнала в двумерный оптический сигнал. С по­мощью ПВМ, например, осуществляются вывод информации и после­дующая запись ее в оптическом запоминающем устройстве (для ЭВМ с оптическим запоминающим устройством).

ПВМ с оптическим управлением служат для преобразования одних оптических сигналов в другие. Различают два основных способа опти­ческого управления: матричный и проекционный. В первом случае управляющий сигнал в виде импульсов излучения различной амплиту­ды подают на отдельные элементы матрицы модулятора, изменяя по заданному закону управления оптические свойства элемента. Во вто­ром — управляющий оптический сигнал проецируется в виде заданного изображения на всю поверхнойъ модулятора.

ПВМ с оптическим управлением применяют также для ввода и вывода информации в оптических запоминающих устройствах. Особенно перспективны голографические запоминающие устройства. Они харак­теризуются высокой надежностью хранения информации, большой информационной емкостью и высоким быстродействием.