Дураев В.П., Медведев С.В., Касаткин Е.В.

ЗАО «Нолатех» - Москва

nolatech@mail.ru, www.nolatech.ru

Элементная база фотоники

Представлены результаты отечественных разработок по созданию элементной базы фотоники–одномодовых полупроводниковых лазеров, в том числе, перестраиваемых, оптических усилителей, суперлюминесцентных диодов, фотоприемных устройств. Рассмотрены их конструкции, электрические, оптические и ресурсные характеристики, дан перечень основных изделий, выпускаемых промышленностью.

Современные информационные сети нельзя себе представить без применения в них элементов фотоники. Примером тому является то, что полупроводниковые лазеры, приёмные и передающие оптические модули и усилители сделали возможным революционное преобразование в области средств связи (заменив проводные и кабельные линии на волоконно-оптические) в устройствах записи, хранения, передачи и обработки информации.

Исходя из этого, в основу физических принципов конструирования инжекционных лазеров для телекоммуникаций, спектроскопии высокого разрешения других применений заложены следующие требования: непрерывный и импульсный режимы работы, низкий пороговый ток, широкая полоса модуляции, линейная зависимость мощности излучения от тока, малая излучающая площадь, малые шумы, большой ресурс работы.

Лазеры изготавливались из квантово-размерных эпитаксиальных структур на основе фосфида индия с использованием МОС–гидридной технологии. Эпитаксиальная структура с пятью квантовыми ямами на длину волны 1550 нм представлена на рис.1. Конструкция активного элемента лазерного диода показана на рис. 2 и 3. В настоящее время ЗАО «Нолатех» выпускает лазерные модули на длины волн 405-1650 нм.

Большинство лазеров для связи имеют резонаторы Фабри-Перо. Однако, в последние годы в магистральных линиях связи на большие расстояния для высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи информации стали использоваться лазеры с резонаторами с распределенной обратной связью (РОС).

В линиях связи со спектральным уплотнением каналов требуются динамически стабильные режимы одночастотного лазера с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенными брегговскими зеркалами (РБЗ) c шириной линии генерации менее 1МГц.

Наиболее полно требованиям телекоммуникций отвечают лазеры с длиной волны излучения 1,3 и 1,55 мкм. Ватт-амперные характеристики лазерного диода в диапазоне температур с длиной волны 1,3 мкм представлены на рис.4. Лазеры работают до температуры плюс 60 градусов без охлаждения и имеют мощность излучения до 200мВт.

Важной экономической и технической проблемой является введение волоконно-оптических систем связи (кабельное телевидение, сети передачи данных, телефоны и пр.) в каждую квартиру (программа «волокно в дом»). Для этих целей требуются лазеры, обладающие повышенной надежностью и малой себестоимостью. Для этих целей используются также лазеры с длиной волны 1300нм и 1550нм. Минимальное значение порогового тока на этих лазерах достигнуто 3-5мА. По спектральному составу используемые лазеры в связи могут иметь как многомодовый, так и одномодовый в пределе одночастотный режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации. Диапазон длин волн выпускаемых лазеров увеличен до 1650нм.

В волоконно-оптических линиях связи большое распространение получили конструкции лазерных модулей типа «ДИЛ» или «Баттерфляй» (международный стандарт). Внешний вид этих модулей показан на рис.5.

Основными элементами лазерного модуля являются лазерный диод, микроходильник, фотодиод обратной связи, оптический изолятор, одномодовый световод со сферической или с цилиндрической линзой на конце световода [1].

Одночастотные полупроводниковые лазеры с волоконно-брэгговской решеткой с шириной линии излучения менее 100 кГц обладают возможностью перестройки длины волны излучения в пределах 3 нм от номинальной [2]. Основные параметры лазерных модулей с ВБР приведены в таблице 1.

Одночастотные лазеры с ВБР применяются в оптических линиях связи, спектроскопии высокого разрешения, медицине, экологии.

Табл. 1

Длина вролны, нм	Мощность, мВт	Ширина линии, кГц
650-670	5...10	<100
700-790	5...20	<100
800-850	5...20	<100
900-980	5...40	<100
1020-1090	5...50	<100
1270-1330	5...20	<100
1510-1570	5...100	<100
1620-1650	5...10	<100

Ресурс работы лазерных модулей составляет более 500000 ч., скорость передачи информации - до 2500 Гбит/сек и более.

Рис.1. Активная область эпитаксиальной структуры ЛД с 5-ю квантовыми ямами.

Рис.2 Конструкция ЛД с зарощенной мезой

Рис.3 Конструкция ЛД с гребневидным волноводом.

Рис.4 Ватт-амперные характеристики лазерного модуля

Рис.5 Конструкции лазерных модулей 14pinDIL и Batterfly.

Приемники оптического излучения

Наряду с лазерными диодами в волоконно-оптических линиях связи большое место занимают приемники оптического излучения. В настоящее время отечественной промышленностью созданы приемники излучения в спектральном диапазоне от ультрафиолета до глубокой инфракрасной области, работающие в диапазоне скоростей приема до 2,5 Гбит/с.

Наиболее широкое применение в волоконно-оптических линиях связи нашли применение приемные оптические модули на основе р-i-n фотодиодов с длиной волны излучения 500 до 1600нм.

Для высокоскоростных ВОСП разработаны приемные модули, имеющие в своем составе твердотельный усилитель с полосой до 2.5 ГГц.

Основные параметры приемного модуля ФДМ-14-2К и приемного модуля с предусилителем ФДУ-1 представлены в таблицах 2 и 3.

Внешний вид конструкции указанных модулей приведены на рис.6. Модули имеют волоконно-оптический выход с коннектором типа FC/PC как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении.

Табл.2

Температура		25 ˚C
		Мин	Тип	Макс
Чувствительность	А/Вт	0.9	0.95	1.0
Темновой ток	нА	0.5	1	2
Обратное напряжение	В	5	10	30
Длина волны	нм	1000	1300	1700
Емкость	пФ	0.5	1	2

Табл. 3

MAX	MIN	TYPICAL	МАХ	Unit
Длина волны	1200	1550	1600	nm
Динамический диапазон	-39	-	+3	dBm
Чувствительность фотоприемника	0.9	0.9	1	A/W
Емкость фотоприемника	-	0.7	1	pF
Длительность фронтов выходных импульсов	-	-	2	nsec
Ширина полосы пропускания	115	-	-	MHz
Диапазон рабочих температур	- 40	25	+ 70	^oC
Напряжение питания	-	4.5	-	V

Рис.6. Фотодиодный модуль

Оптические усилители

Усиление оптических сигналов рассматривалось первоначально как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах. Однако с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало самостоятельным направлением развития оптической техники. В настоящее время наметились несколько направлений в создании оптических усилителей [3].

Рис 7. Полупроводниковый оптический усилитель

Основные типы оптических усилителей:

-эрбиевые усилители;

-полупроводниковые усилители;

-параметрические усилители.

Основные характеристики полупроводниковых оптических усилителей приведены в табл.4.

Табл.4.

ПАРАМЕТРЫ	Условия работы	MIN	TYP.	MAX	Ед.изм.
Длина волны	CW,Gain=10dB	1530	1550	1580	nm
Напряжение	CW, If = 200mA	-	-	2	V
Усиление “волокно-волокно”	CW, If = 200mA	8	10	-	dB
Чувствительность на входе	CW,Gain = 10 dB	-30	-	-	dBm
Ток смещения	CW,Gain = 10 dB	-	200	250	mA
Поляризационная чувствительность	CW, If = 200mA	-	3	-	dB
Ширина спектра	CW, If = 200mA	30	-	-	nm

Суперлюминесцентные диоды

Отечественные суперлюминесцентные диоды (СЛД) выпускаются в диапазоне длин волн 650-1650нм с мощностью излучения от 0,1 до 50 мВт. Ширина спектра излучения СЛД составляет 20-40 нм. Вывод излучения может производится, как в открытое пространство (рис. 9), так и через волоконный световод в корпусах, представленных на рис. 5. Спектр излучения СЛД представлен на рис. 8.

Основные характеристики суперлюминесцентных диодов приведены в табл.4.

Рис. 8. Спектр излучения суперлюминесцентного диода.

Рис. 9. Суперлюминесцентный диод в 9 мм корпусе.

Табл.5

Длина волны излучения СЛД, нм	Мощность излучения, мВт	Спектральная ширина контура излучения СЛД, нм	Ток накачки, мА
650-680	2-5	20	не более 300
780-810	2-10	20-40	не более 300
820-840	2-10	20-30	300
890-930	2-20	20-50	300
960-990	2-20	20-50	не более 250
1020-1064	2-20	20-50	не более 300
1290-1335	2-10	20-30	не более 300
1510-1560	2-10	20-30	не более 300
1610-1650	2-10	20-30	не более 300

Заключение

Таким образом, в работе изложены основные характеристики полупроводниковых лазеров, светодиодов, фотоприемников, оптических усилителей и приемно-передающих модулей на их основе. Приведены основные характеристики выпускаемых промышленностью приемно-передающих модулей и оптических усилителей. Представленная в работе элементная база фотоники (лазерные диоды и модули, приемники излучения и усилители) по своим характеристикам соответствует лучшим зарубежным образцам оптоэлектронных компонентов.

Литература:

1. Дураев В.П., Неделин Е.Т. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530-1560 нм. Квантовая Электроника, 31, №6, с. 529-530, 2001.

2. В.П. Дураев, С.В. Медведев. Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры. Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 1.

3. В. П. Дураев, С. В. Медведев. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 840–1550 нм. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2012, том 22, № 3, c. 53–57.