Исследование характеристик и применений полупроводникового лазера с распределенной обратной связью

Лазер MQW DFB имеет выходную оптическую мощность до 30 мВт, высокий коэффициент подавления мод боковой стороны, низкий шум и узкую ширинуспектра. DFB-1550-PM представлен в 14-контактном корпус типа DIP со встроенным термоэлектрическим холодильником, термистором, фотодиодом на задней панели микросхемы для обычного контроля мощности и дополнительного второго фотодиода для контрольного контроля длины волны. Спектр излучения DFB-1550-PM представлен на рисунке 3.3.Рис 3.2 – Спектр лазерной модели DFB-1550-PMНа рисунке 3.3 показан выходной спектр лазерной модели DFB-1550-PM, выпускаемой компанией Optilab при различных температурах. Доступный в широком диапазоне длин волн C-диапазона, DFB-1550-PM может быть настроен на температуру согласно ITUЦоколевка модуля Optilab DFB-1550-PM представлена на рисунке 3.3Рис. 3.3 – Цоколевка модуля Optilab DFB-1550-PMЧастоты для приложений с плотным мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM). Это основной параметр лазерной модели DFB DFB-1550-PM. Технические параметры модуля представлены в таблице 3.1.Таблица 3.1Основной параметр лазерной модели DFB DFB-1550-PMПараметрыЕдиница измеренияМинимумМаксимуВыходная мощность мВт2030Длина волны излучения нм15281562Пороговый ток мA25Прямое напряжениеВ2.5Ширина линии МГц2Коэффициент подавления боковых моддБ мин30Модовый состав  одногомодовыйСтепень оптически изоляциидБ мин35Рабочая ТемператураºC-1060Компоненты схемы измерения мощности лазерного модуляOptilab DFB-1550-PMРисунок 3.4 – Компоненты схемы для измерения параметров DFB лазера1 – Оптическое выходное волокно. Данное волокно и соответствующий оптический разъем излучают оптические волны при инициализации р и работе модуля. При обращении с этим волокном и разъемом необходимо соблюдатьнадлежащие меры предосторожности и обращать внимание на соответствующий сопрягаемый адаптер.2 –Порт электрического подключения.Данный разъем необходим для подключения к кабельному блоку, что позволяет использовать устройство DFB-PM-M как в качестве источника питания постоянного тока, так и для удаленного доступа через USB.3 –Кабельная сборка BOX RS-485 PLUG.Данный модуль обеспечиваетпостоянным токоммодуль лазера, а также обеспечивает возможности удаленного доступа USB к DFB-PM-M с помощью прилагаемого кабеля. 4 –USB-порт. Этот порт подключается к любому стандартному интерфейсу ПК, что позволяет использовать параметры удаленного доступа и настройки функций.5 –разъем питания постоянного тока. К данному разъему необходимо подключить источник питания Optilab PS-5 (с помощью прилагаемого кабеля Molex), либо к соответствующим клеммам + 5 В, -5 В постоянного тока, GND. Индикатор питания включится при правильном подключении и питании.3.3 Монитор оптической мощности Artifex OPM150Модуль ArtifexOPM150 представляет собой блок измерения мощности оптического излучения.Данные устройства измерения мощности особенно подходят для использования в полевых условиях, например, для обслуживания лазеров или в системах OEM. Устройство питается от USB: внешний источник питания не требуется. Аналоговая полоса пропускания составляет 10 кГц, и частота дискретизации составляет до 30 Гц с использованием прилагаемого графического программного обеспечения. Внешний вид устройства представлен на рисунке 3.5.Рисунок 3.5 – Система измерения оптической мощности Artifex OPM150Устройство OPM150 производит измерение оптической мощности лазерного излученияпутем измерения тока фотодиодов. Фотодиоды используются для измерения мощности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах благодаря присущей им чувствительности и скорости измерения.Фотодиоды генерируют ток величины , который пропорционален мощности падающего света в широком динамическом диапазоне. Недостатком, по сравнению с калориметрическими приборами, является зависимость от длины волны. Однако для использования с монохроматическими источниками детектор можно откалибровать и соответствующим образом скорректировать измеренный ток.Ток от фотодиода преобразуется в напряжение через прецизионный трансимпедансный усилитель. Данный усилитель обладает высокой линейностью параметров во всем диапазоне измерений устройства. OPM150 имеет 5 диапазонов усиления. Переключатель представляет собой полупроводниковое устройство, не подверженное деградации.Фотодиодная головка имеет диаметр 25 мм для монтажа в стандартных оптомеханических системах. Блок обработки сигналов очень компактен для простой интеграции в системы OEM, при этом, большая поверхность детектора обеспечивает простоту использования.Полученное напряжение после преобразователя далее оцифровывается с помощью 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Этот процесс и все вычисления и связь с ПК контролируются микроконтроллером в базовом устройстве OPM150. Процесс измерения запускается с помощью команды через интерфейс USB (программный триггер). В качестве альтернативы может быть запущен непрерывный поток измерений, который производит выборку со скоростью 1,5 кС / с.3.4 Включение лабораторной установкиВключение лабораторной установки и проведение измерений характеристик лазера выполняется по согласованию с преподавателем. Необходимо соблюдать следующие ограничения при установке уровней напряжений и токов: постоянный ток лазера – не более 2 мА; напряжение модуляции не более 50 мВ (размах при выходном сопротивлении генератора 50 Ом); ток через нагревательный элемент не более 100 мА.Включение приборов лабораторной установки выполняется в следующей последовательности:1. Включаем электрическую сеть, к которой присоединены приборы лабораторной установки.2. Включаем компьютер2. Включаем тумблера питания всех приборов лабораторной установки.3. В режиме предварительной установки устанавливаем требуемые напряжения и токи источника питания ИП (при использовании в качестве источника питания предустановленного блока напряжением требуется только подключение его к электросети).4. В режиме предварительной установки устанавливаем требуемые параметры сигнала генератора модуляции ГМ (задание выдается преподавателем).5. Проверяем правильность соединений приборов и блоков лабораторной установки.6. Проводим измерения параметров лазера.7. После проведения измерений переводим приборы в режим предварительной установки и затем выключаем их тумблеры электропитания.3.5 Разработка пунктов методических указаний к лабораторной работе по исследованию характеристик полупроводникового лазера с распределенной обратной связьюПеред проведением измерений требуется уточнить значение задаваемых параметров.Далее, необходимо проверить, и при необходимости собрать измерительную схему. Схема установки показана на рис.3.1. необходимо проверить, чтобы выходное излучение не выходило наружу, а «замыкалось» в схеме измерений, например, в измерителе мощности, или уходило в поглощающую нагрузку. Все разъемы в данной лабораторной работе ивсе соединения выполнены, как FC/APC. При включении установки необходимо следовать последовательности действий, приведенной выше в пунктах управления работой лазера и измерителя мощности.Производим включение компьютера, далее – источник питания DFBлазера, после подключаем разъем USBк соответствующему порту компьютера и убеждаются, что лазер работает.Далее подключают USB разъем измерителя мощности к компьютеру.Описание управленияDFB лазеромПрограмма работы предполагает проведение измерений с использованием DFB лазера и измерителя мощности. Вследствие этого основным моментом выполнения лабораторной работы является понимание принципа работы используемых приборов и умение работать с ними. Данным вопросам посвящены следующие пункты выполнения ЛР. Освоив их содержание, достаточно просто можно выполнить предусмотренные работой работы измерения.Управление платой DFB лазера осуществляется через персональный компьютер (ПК).После включения компьютера и запуска Программы управления лазером (DFB-PM-MLabVIEWUIv.1.06.vi) на экране компьютера появляется окно управления, показанное на рис.3.6Рис.3.6 – Окно управления лазером на дисплее ПКДалее следует включить блок питания DFB лазера.При этом на плате DFB загорается светодиод синего цвета. В окне управления нужно установить Address 1в строке состояния RS485 вместо NONE. А в графе COMNumber – COM3. После этого, необходимо включить идущий от блока управления разъем USB в компьютер. В дальнейшем он будет распознаваться системой как порт COM3. Если такой порт присутствует в списке устройств компьютера, то подключение выполнено корректно.После выполнения описанных действий можно запустить лазер. Это выполняется нажатием левой клавиши «мыши» после наведения курсора на кнопку со стрелкой в панели инструментов окна программы управления работой лазера. В подтверждение запуска должна загореться красная кнопка (рядом с кнопкой со стрелкой). Кроме того, в строке состояния появится текущие параметры работы лазера: величина рабочего тока лазера, значение заданной температуры, рабочая температура лазера и максимальное значение тока лазера, которое можно корректироватьДля выключения лазера следует «нажать» на кнопку Stop. В данном варианте лазера это будет означать только выключение управлениея параметрами лазера – током накачки и температурой лазера. Первый параметр определяет мощность генерации излучения, а второй – длину волны излучения лазера. В тоже время сам лазер будет продолжать генерировать излучения с параметрами, которые были установлены последними.Перед включением лазера для обеспечения безопасной работы следует подключить выход лазера с помощью волоконно-оптического кабеля к какому-либо устройству. Например, к измерителю мощностиили к поглощающей нагрузке. Делается это по причине того, что лазер после включения может работать при максимальном токе накачки и будет излучать 40 мВт. В то же время, заранее неизвестно, какой рабочий величины ток установится в момент включения. Обычно это ток, который был рабочим перед выключением лазера. После включения лазера можно будет изменить рабочий ток. Помимо сказанного, следует иметь ввиду, что любой измеритель мощности рассчитан на конкретную предельную мощность измеряемого излучения, превышать которую не следует. В данном случае это 15 мВт. Для корректной работы измерителя мощности с DFB лазером в лабораторной работе перед ним установлен ослабитель мощности на 7 дБ, то есть в 5 раз. В нашем случае мощность, попадающего в измеритель излучения, не будет больше 8 мВт.Управление измерителем мощностиИзмеритель мощности, задействованный в лабораторной работе, управляется ПК. Ярлык программного модуля, отвечающего за его работу, присутствует на экране монитора. Измеритель мощности подключается к ПК через USB вход. Через него на измеритель мощности подается питания. Он же служит для управления работой измерителя и передачи данных о мощности сигнала в компьютер. Подключение измерителя подтверждается включением светодиода на корпусе измерителя. Компьютер, в свою очередь, воспринимает этот вход, как порт COM4.Для включения измерителя требуется запустить программный модуль. Это достигается наведением курсора на соответствующий ярлык и нажатием левой клавиши «мыши». На экране монитора появляется окно управления, показанное на рис.3.7Графический интерфейс пользователя прост и удобен в использовании. Все важные функции могут быть доступны непосредственно в главном окне.Главное окно содержит выпадающее меню, панель инструментов, рамку диаграммы и строку состояния.Рис.3.7 –Окно управлением работой измерителя мощностиРисунок 3.8 – Строка состояния измерителя мощности OPM150Состояние подключения: указывает, подключен ли прибор OPM150, и все ли параметры подключения могут быть установлены корректно. Если возникает ошибка соединения, то она будет указана в строке состояния окна программы управления, а также выделяется красной виртуальной контрольной лампой.Программа будет работать только в том случае, если индикатор виртуальной лампы горит зеленым светом и отображается состояние «OPM150 подключен». Отключение также будет распознаваться и указываться во время выполнения измерений.Усиление: Указывает текущее выбранное усиление - также в режиме автоматической регулировки.Возможности работы с данными, заложенные в программу, рассмотрены ниже. ИхописаниевзятоизТехническогоописаниякприбору. Дляизмерений в лаборатории следует выбрать Gain = 1.Уровень оптической мощности: для оптимального соотношения сигнал / шум, как и для любого измерительного прибора, OPM150 не следует использовать в крайне низком диапазоне выходной мощности. Если устройство используется в крайнем верхнем диапазоне выходного сигнала, может произойти ограничение. Цветная скользящая графическая полоса используется для предупреждения пользователя о текущем уровне выходного сигнала усилителя (который не виден непосредственно в данных измерений).Оптимальный рабочий диапазон обозначен синей полосой. Если полоса отображается красным цветом, выбор коэффициента усиления следует изменить соответствующим образом. Режим автоматической регулировки всегда приводит устройство к оптимальной настройке усиления.Режим графика является режимом по умолчанию, который появляется при запуске программы. Ось X представляет номер образца последовательности измерений, ось Y - оптическую силу. Единицы мощности автоматически подстраиваются под измеряемый уровень мощности.Рисунок 3.9 – График изменения уровня мощности оптического излученияДинамическое увеличение можно активировать, щелкнув в окне графика и перетащив поле до нужного размера. Если активировано автоматическое изменение масштаба, при следующем измерении окно будет масштабировано до его предыдущего представления. Следовательно, если зум должен оставаться активным, автоматическое изменение масштаба должно быть сначала отключено (контекстное меню) или измерение остановлено.Выполнение измеренийПосле включения всех компонентов схемы измерения, указанных выше, следует проверить работу всех систем вместе.Устанавливаем максимальный ток накачки – 225 мА и температуру 25 ОС. При этом на выходе лазера должно появиться излучение мощностью ~ 40 мВт.Измеритель мощности на такую мощность не рассчитан. Его предел – 15 мВт. На входе усилителя мощности следует установить ослабитель. В данной работе используют дискретный аттенюатор на 7 дБ (5 раз) с разъемами FC/APC. После него мощность излучения уменьшается до допустимого уровня ~ 8 мВт.Проверки должна подтвердить, что измеритель показывает значение ~ 8 мВт. Если такого уровня нет, следует проверить подключение разъемов. В противном случае осуществляют прочистку или промывку разъемов. Если необходимый уровень достигнут, переходят к измерениям.В последнем пункте работы используется регулируемый аттенюатор. Он ослабляет сигнал, внося потери от 0,8 дБ до 30 дБ. Эти изменения необходимы для получения заданной мощности.Подключать аттенюатор надо в месте соединения оптических патч-кордов. Для включения аттенюатора в схему потребуется еще один соединитель. В схеме на рис.5 он отсутствует. Для корректной установки заданного уровня по мере ослабления мощности потребуется перейти к более чувствительным шкалам измерений, например, 1 мВт или 0,5 мВт.3.6 Выводы по главе 3В соответствии с разработанной структурной схемой предложена схема лабораторной установки, которая позволяет выпонять измерения характеристик полупроводникового лазера с распределенной обратной связью, таких как выходная мощность оптического излучения, пороговый ток, модуляционные характеристики. Знание данных характеристик позволяет корректно выбирать режимы работы лазеров, используемых в телекоммуникационных оптических передатчиках. Умение разрабатывать подобные лабораторные установки и измерительные методики является важным для инженеров в области оптической телекоммуникации. Также в главе приводится методика измерения характеристик полупроводникового лазера, которая позволяет позволяют получить практические навыки по использованию измерительного лабораторного оборудования и измерению характеристик таких лазеров. Данный практический опыт позволит грамотно применять подобные лазеры в оптических телекоммуникационных системах. ЗаключениеВ результате выполнения работы данный выпускной работы были исследованы характеристики и рассмотрены области использования полупроводникового лазера с распределенной обратной связьюВ работе произведен анализ литературы по рассматриваемой тематике, используемым в телекоммуникации лазерам и их характеристикам, позволивший понять тенденции в применении лазеров в телекоммуникации, выявить особенности и преимущества полупроводниковых лазеров с внешним резонатором, сформулировать задачи работы.В ходе выполнения работы были рассмотрены физические основы полупроводникового лазера с распределенной обратной связью, определены его основные характеристики, показано влияние температуры на длину волны излучения, выходную оптическую мощность излучения, показаны режимы работы лазера для обеспечения стабильности его выходной поляризации. В работе рассмотрена лабораторная установка позволяющая выполнять исследования характеристик полупроводникового лазера с распределенной обратной связью, рассмотрены особенности её работы. Лабораторная установка позволяет проводить измерения выходной мощности оптического излучения и порогового тока при различных температурах лазера, исследовать различные режимы модуляции тока лазера, калибровать выходное напряжение фотодетектора в единицах ватт. Знание этих характеристик позволяет корректно выбирать режимы работы лазеров, используемых в телекоммуникационных оптических передатчиках.Таким образом, цель работы «Исследование характеристик и телекоммуникационных применений полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью и разработка пунктов методических указаний к лабораторной работе по изучению характеристик таких лазеров» достигнута.Список используемой литературыJens Buus, Markus C. A., Daniel J. B., Tunable Laser Diodes and Related Optical Sources, New Jersey: John Wiley & Sons, Hoboken, 2005,4~151.Vincent Weldon, David MchInerney, Richard Phelan, et al, Characteristics of several NIR tunable diode lasers for spectroscopic based gas sensing: A comparison, SpectrochimicaActa Part A, 2006, 63(5): 1013~1020.5. Басов Н.Г., Вул Б.М., Попов Ю.М. Квантово-механические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний //ЖЭТФ, 1959. — №37(2). — C. 587.6. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Попов Ю.М. Получение состояний с отрицательнойтемпературой в р-n-переходах вырожденных полупроводников. // ЖЭТФ,1961. — Т. 40. — Вып. 6. — С. 1879–1880.ЗвелтоО. Принципы лазеров / Пер. под научн. ред. Шмаонова Т. А., Изд. 4-е. – СПб.: Издательство «Лань», 2008. — 720 сA. L. Schawlow and C. H. Townes, "Infrared and Optical Masers'1, Phys. Rev.,112,1958: 1940-1949.Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Квантовая электроника. Приборы и ихприменение. М.: Техносфера, 2006. — 432 с.125. Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. сангл.:Учебное пособие. В 2 т. Т. 2 / Б. Салех, М. Тейх — Долгопрудный:Издательский дом "Интеллект", 2012. — 784 с.: цв. вкл. 126. Жуков А.Е. Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур. СПб.: ООО"Техномедиа" / Изд-во "Элмор", 2007. — 304 с.Романова Г. Э., Парпин М. А., Серегин Д. А. Компьютерные методыконтроля оптики. Уч. пособие, СПб, 2011. — 190 с.Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практикаспектроскопии. М.: Наука, 1976. — 302 с.Z. I. Alferov, V. M. Andreev, E. L. Portnoy, et al, AlAs-GaAs heterojunction injection lasers with a low room-temperature threshold, Sov. Phys. Semicond., 1970,3: 1107~1110Jeff Hecht, Short history of laser development, Optical Engineering, 2010, 49(9): 091002M. Nakamura, A. Yariv, H. W. Yen, et al, Optically pumped GaAs surface laser with corrugation feedback, Appl. Phys. Lett., 1973, 22(1): 515~516Sekartedjo K., Eda N., Furuya K., et al, 1.5μm phase-shifted DFB lasers for single-mode operation, Electron. Lett., 1984, 20(2): 80~81Tang R, Kita T, Yamada H. Narrow Spectral Linewidth Si Photonic Wavelength Tunable Laser Diode for Digital Coherent Optical Communication[C]//Semiconductor Laser Conference (ISLC), 2014 International.IEEE, 2014: 96-97.BERGER J D, ZHANG Y, GRADE J D, et al. Widely tunable external cavity diode laser using a MEMS electrostatic rotary actuator [J]. LEOS Summer Topical Meeting, Copper Mountain:Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2001：41-42.ArimaLasersCorp. [Электронный ресурс]. Режимдоступа: www.arimalasers.com — Products — Laser Diodes.Азимут Фотоникс. Оптоэлектронные компоненты. [Электронный ресурс]. (URL: http://www.azimp.ru/catalogue/PM_fiber/ — дата обращение: май 2020).Специальные Системы. Фотоника. [Электронный ресурс]. (URL: http://sphotonics.ru/catalog/pm-optical-fibers/ — дата обращение: июнь200).