13-ma’ruza. Lazer diodlari, ularning xarakteristika va parametrlari

Tashqi rezonatorli lazer diodlari


Tashqi rezonatorli lazer diodlarida ularning bir yoki ikkala ko‘ndalang yon tomoni aks ettirishni kamaytiruvchi, maxsus qatlam bilan qoplanadi va mos ravishda yarim o‘tkazgichli aktiv sohaning atrofida bitta yoki ikkita ko‘zgu qo‘yiladi. 3.23-rasmda bitta tashqi rezonatorli lazer diodining tuzilishi ko‘rsatilgan.

3.23–rasm. Bitta tashqi rezonatorli lazer diodi.


Aks etishni kamaytiruvchi qoplama aks etish koeffitsientini taxminan to‘rt tartibga kamaytiradi, aktiv qatlamning boshqa ko‘ndalang yoni esa 30% gacha yorug‘lik oqimini aks ettiradi. Aks ettiruvchi difraksiya panjarasi ko‘zgu va difraksiya panjarasidan tarkib topadi.
Ko‘zgu difraksiya panjarasi vazifasini to‘ldiradi. Ko‘zgu va aktiv soha o‘rtasida teskari aloqani yaxshilash uchun linza o‘rnatiladi.
Aks ettiruvchi difraksiya panjarasigacha bo‘lgan masofani oshirib yoki kamaytirib, shuningdek panjarani burish hisobiga panjara qadamini o‘zgartirish orqali nurlanish to‘lqin uzunligini bir tekisda o‘zgartirish mumkin. Shu sababdan bunday lazerlar sozlanuvchan lazerlar deyiladi. Bu turdagi lazer diodlari yordamida to‘lqin uzunligini 30 nm oraliqgacha o‘zgartirish mumkin. Tashqi rezonatorli lazer diodlari spektr bo‘yicha zichlashtirish apparaturalarini va tolali optik aloqa uchun mo‘ljallangan o‘lchov qurilmalarini yaratishda juda kerakli hisoblanadi.


Tolali optik aloqa tizimlarida qo‘llaniladigan yorug‘lik manbalarining qiyosiy tafsivi


Yuqoridagi bayon etilganlardan ma’lum bo‘ldiki, yorug‘lik manbalari tolali optik uzatish tizimlarining muhim va ajiralmas funksional qurilmasi bo‘lgan uzatuvchi optoelektron modulning asosiy elementi vazifasini o‘taydilar. Ular yordamida analog yoki raqamli ko‘rinishdagi elektr signallari yorug‘lik signallariga o‘zgartirilib, ularni optik tolaga uzatiladi.
Tolali optik uzatish tizimlarida qo‘llaniladigan yorug‘lik manbalari 3.1-bandda ta’riflangan talablarga javob berishlari zarur.
Tolali optik uzatish tizimlarida yorug‘lik manbalarining bu talablarga javob beradigan ikki turidan – yorug‘lik diodlari va lazer diodlaridan foydalaniladi.
Ushbu yoruglik manbalari man etilgan energetik satihlarning kengligi bilan farq qiluvchi turli xil yarim o‘tkazgichlardan tayyorlanadilar va shu sababdan turli to‘lqin uzunligidagi nurlanish tarqatadilar.
Tolali optik uzatish tizimlarida qo‘llaniladigan yorug‘lik manbalari o‘zlarining tuzilish xususiyatlari, ish mexanizmlariga ko‘ra ikki guruhga – p-n o‘tishli yarim o‘tkazgichli tuzilmalarda noasosiy zaryad tashuvchilarning injeksiyasi chog‘ida sodir bo‘ladigan spontan nurlanishdan foydalanishga asoslangan yorug‘lik diodlari va shunday tuzilmalarda energetik sathlarning teskari egallangan sharoitida sodir bo‘ladigan majburiy nurlanishlardan foydalanishga asoslangan lazer diodlariga ajiraladilar.
Shu sababdan, ulardan birinchi xili - yorug‘lik diodlari nomonoxromatik (turli xil to‘lqin uzunligiga ega bo‘lgan, turli fazali) nurlanish manbai, ikkinchi xili esa, monoxromatik va kogerent (bir xil to‘lqin uzunlikli, bir xil fazali, bir xil tarqalish yo‘nalishiga ega bo‘lgan) nurlanish manbai bo‘lib xizmat qiladi.
Yorug‘lik manbalarining xar ikkala xili ham bir qator bir xil nomli xarakteristikalar va parametrlar bilan tavsiflanadilar: volt-amper xarakteristikasi, vatt-amper xarakteristikasi, spektral xarakteristika, yo‘nalganlik diagrammasi, nurlanish quvatining odatiy va eng katta qiymatlari, nurlanish to‘lqin uzunligi diapazoni, nurlanish quvvatining eng katta qiymatiga mos kelgan to‘lqin uzunligi, uzilish va ulanish vaqtlari, ishchi toki va kuchlanishlarining qiymatlari, iste’mol quvvati, xizmat muddati shular jumlasidandir. Biroq bu xarakteristikalar o‘z ko‘rinishlari bilan, parametrlar esa, o‘z qiymatlari bilan muhim tarzda farq qiladilar.
Chunonchi, yorug‘lik diodlari va lazer diodlarini elektr zanjir elementi sifatida tavsiflovchi volt-amper xarakteristikalari bir xil (eksponensial) ko‘rinishga ega bo‘lsa-da ishchi kuchlanish va toklarning qiymatlari turli xil oraliqda yotadilar. Yorug‘lik diodlari uchun bu qiymatlar mos ravishda 1-2 V, 50-100 mA oralig‘ida, lazer diodlari uchun 2÷5 V va bir necha o‘ndan bir necha yuz mA gacha oraliqda yotadi.
Yorug‘lik diodining volt-amper xarakteristikasi tok kuchining bir necha o‘n mA o‘zgarishlari oralig‘ida to‘g‘ri chiziqli ko‘rinishga, lazer diodining volt-amper xarakteristikasi esa, tok kuchining nisbatan katta qiymatlari oralig‘ida (bir necha o‘ndan-bir necha yuz mA gacha oraliqda) nochiziqli ko‘rinishga va bo‘sag‘a xususiyatiga ega.
Yorug‘lik diodlari va lazer diodlarining spektral xarakteris-tikalari cho‘qqi xususiyatli umumiy ko‘rinishga ega bo‘lsalarda, ularning spektral kengligi keskin farq qiladi. Chunonchi, yorug‘lik diodlari uchun bu kenglik 30÷60 nm ni tashkil etsa, lazer diodlarida u 0.1÷0.4 nm (bir modali lazerlar uchun) gacha oraliqda yotadi. Aynan shu xususiyatlariga ko‘ra yorug‘lik diodidan kelayotgan signallar optik tolada ko‘proq, lazer diodlaridan kelayotgan yorug‘lik signallari esa kamroq dispersiyaga uchraydilar. Shu sababdan yorug‘lik diodlaridan qisqa uzunlikli optik uzatish liniyalarida (15 km gacha), lazer diodlaridan esa katta uzunlikli uzatish liniyalarida foydalaniladi.
Yorug‘lik manbalari nurlanish quvvatining fazoviy taqsimotini tafsivlovchi yo‘nalganlik diagrammasi bilan ham farq qiladi. Yorug‘lik diodlari uchun bu taqsimot bir necha o‘n va xatto yuzdan ortiq teles (fazoviy) burchagi ostida yuz bersa, lazer diodlari uchun gradusning bo‘laklarini tashkil etadi.
Yorug‘lik diodlari va lazer diodlarining tezkorligi p-n o‘tish orqali injeksiyalanayotgan zaryad tashuvchilarning baza sohasida to‘planish va ekstraksiyalanayotgan zaryad tashuvchilarning so‘rilish vaqtlari bilan yoki p-n o‘tish sig‘imining zaryadlanish va razryadlanish vaqtlari bilan aniqlanadi. Yorug‘lik diodida bu vaqt 10^-7–10^-8 s ni, qalinligi juda kichik bo‘lgan (~20 mkm) tor energetik sohali yarim o‘tkazgichlardan tayyorlangan ikki yoqlama tuzilishli lazer diodlarida esa, 10^-9–10^-10 s ni tashkil etadi. Shu sababdan yorug‘lik diodlaridan nisbatan kichik tezlikli (Mbit/s li), lazer diodlaridan esa, katta tezlikli (Gbit/s li) tolali optik uzatish tizimlarida foydalaniladi.
Xizmat muddati yorug‘lik manbalarining muhim ekspluatatsion parametrlaridan biri hisoblanadi. Yorug‘lik manbalarining degradatsiyasi ularning asta sekin va katastrofik eskirishiga olib keladi. Bu hol yorug‘lik diodlari xizmat muddatini 10⁶–10⁷ soat oraliq, superlyuminessent diodlar uchun 10⁴–10⁶ oraliq bilan, lazer diodlarining xizmat muddatini uzog‘i bilan 10⁵ soat bilan cheklaydi.
Quyidagi jadvalda tolali optik aloqa tizimlarida qo‘llaniladigan yorug‘lik manbalari – yorug‘lik diodlari va lazer diodlarining qiyosiy tafsivi keltirilgan.
3.5-jadval
Yarim o‘tkazgichli yorug‘lik manbalarining texnik parametrlari

Parametr	Yorug‘lik diodlari		Lazer diodlari
	Yon sirti bo‘yicha nurlanadigan yorug‘lik diodi	Superlyuminessent diodlar
Iste’mol quvvati, mVt	75…750	75…750	150…600
Bo‘sag‘a damlash toki, mA	-	-	50…250
Ishchi toki, mA	50…300	50…300	100…300
Uzluksiz rejimdagi chiqish nurlanish quvvati, mVt	1…10	1…10	1…50
Ko‘p modali yorug‘lik uzatgichga kiritiladigan quvvat, mVt	0.05…0.5	0.1…1	0.5…15
Nurlanish spektrining kengligi, nm	30…50	3…5	0.1…0.4
Nurlanishning markaziy to‘lqin uzunligi, mkm	0.8	0.9	0.01…0.3
Markaziy to‘lqin uzunligining harorat bo‘yicha nobarqarorligi, nm/K	0.3	0.3	0.01…0.3
-3dB sathi bo‘yicha modulyatsiya chastotalari oralig‘ining kengligi, MGs	100	200	500…5000
Vatt-amper xarakteritsikasining nochiziqligi, %	0.3…3	10	0.3…30
Xizmat muddati, s	10^4…10^7	10^4…10^6	10^3...10^5
Murakkablik darajasi	Past-o‘rtacha	O‘rta	Yuqori
Tannarxi	Past-o‘rtacha	O‘rta	O‘rtacha-yuqori