Risonatore ottico
Il meccanismo di retroazione può essere affidato ad una cavità risonante.
La cavità oscilla spontaneamente (si autosostiene) se risultano soddisfatte entrambe le
condizioni:
• il guadagno ottico, all'interno del materiale, bilancia esattamente le perdite interne per
l’assorbimento e per la parte di segnale trasmesso all'esterno (condizione di stabilità);
• il pompaggio è sufficiente ad ottenere l'inversione della popolazione.
Per determinare la condizione di stabilità e la frequenza di oscillazione di risonanza,
consideriamo un’onda monocromatica che si propaga nella cavità lungo la direzione z.
Affinché l'oscillazione si autosostenga, il campo elettrico, dopo aver compiuto un giro
completo tra i due specchi, deve presentarsi inalterato al punto di partenza.
Risonatore ottico
Affinché l’oscillazione si autosostenga, il guadagno del mezzo attivo deve eguagliare le
perdite dovute all’assorbimento del mezzo ed alla non perfetta riflessione sugli specchi (in
particolare, uno dei due specchi deve rendere disponibile all’esterno l’oscillazione).
La condizione di propagazione dei modi longitudinali potrebbe indurre a pensare che vi sia
un numero infiniti di modi supportati da tale struttura. In realtà, poiché g ha un andamento
dipendente da λ la condizione di lasing si ottiene solo per quei valori di m per cui il
guadagno è sufficientemente alto.
Guadagno ottico ideale ed assenza di emissione spontanea
Guadagno ottico reale e presenza di emissione spontanea
Diodi LASER (LD)
I LASER a semiconduttore o diodi LASER sono sorgenti coerenti di radiazione luminosa, la
radiazione emessa è pressoché monocromatica ed il fascio luminoso è altamente
direzionale.
L’unica differenza con i LASER a stato solido riguarda il diverso meccanismo di pompaggio
per ottenere l’inversione di popolazione.
Caratteristiche del LASER a semiconduttore:
• ridotte dimensioni;
• basso costo;
• la radiazione emessa può essere facilmente
semplicemente modulando la corrente di iniezione.
modulata
Principali applicazioni commerciali del LASER a semiconduttore:
• registrazione video;
• lettura ottica;
• stampa laser;
• telecomunicazioni.
ad
alta
frequenza
Diodi LASER ad omogiunzione
I diodi LASER ad omogiunzione GaAs sono stati i primi laser a semiconduttore ad essere
realizzati.
Una giunzione p-n planare di GaAs è delimitata da due facce parallele, ottenute per
lucidatura, perpendicolari alla direzione dell’asse cristallino <110>. In opportune condizioni
di polarizzazione la radiazione luminosa è emessa da tali superfici. La superficie delle altre
due facce parallele è resa volutamente ruvida per evitare l’emissione di luce in direzione
diversa da quelle principali.
Diodi LASER ad omogiunzione
La regione attiva del dispositivo è una cavità Fabry-Perot.
Si ha condizione di risonanza se le due superfici terminali distano un multiplo intero di mezza
lunghezza d’onda. In tale condizione, il fascio di luce si riflette tra i due piani esaltandosi.
mλ = 2 n ( λ ) L
λ2 ∆m
∆λ =
2nL[1 − (λ n )(dn dλ )]
∆λ rappresenta la separazione tra i modi longitudinali m e m+∆m.
Le lunghezze d’onda dei modi longitudinali risonanti sono pertanto multipli interi di una
particolare lunghezza d’onda.
La regione attiva è sufficientemente sottile, nella direzione verticale, da inibire la risonanza di
modi trasversi mentre occorre minimizzare la propagazione dei modi laterali impedendo che
essi possano avere un guadagno tale da sostenere l’emissione stimolata. Una semplice
tecnica per minimizzare la propagazione dei modi laterali consiste nel rivestire le superfici
laterali della cavità con un trattamento anti-riflesso.
Diodi LASER ad omogiunzione
Osserviamo che, se le dimensioni della cavità sono decisamente maggiori della lunghezza
d’onda, si viene a perdere il carattere filtrante della struttura Fabry-Perot (può risuonare un
numero elevato di modi). Purtroppo, dovendo disporre di sufficiente spazio per realizzare la
condizione di inversione di popolazione, non è possibile ridurre le dimensioni della cavità in
modo da far risuonare una singola lunghezza d’onda.
Una tipica cavità Fabry-Perot per un LASER a semiconduttore ha una lunghezza che si aggira
tra 100 e 200 µm, sebbene sia possibile disporre di cavità lunghe appena 30 µm. Un diodo
LASER InP (n=3.45), che emette ad una lunghezza d’onda centrale di 1500 nm, avente una
cavità lunga 100 µm presenta 7 lunghezze d’onda di risonanza. Lo stesso diodo, realizzato
con una cavità lunga 200 µm, presenta 13 lunghezze d’onda risonanti.
Maggiore è la dimensione della cavità, maggiore è il numero di lunghezze d’onda risonanti
nell’intorno della lunghezza d’onda centrale.
Diodi LASER ad omogiunzione
In realtà non è detto che tutti i possibili modi risonanti possano autosostenersi, dal momento
che il mezzo è in grado di amplificare solo in una stretta regione di lunghezze d’onda la cui
ampiezza dipende dalle caratteristiche del materiale stesso.
Una lunghezza d’onda potrà effettivamente risuonare solo se è contenuta nella finestra di
guadagno del mezzo.
Combinando il grafico del guadagno con quello dei possibili modi risonanti, si ottiene
l’informazione relativa agli effettivi modi risonanti.
Diodi LASER ad omogiunzione
Per accrescere l’emissione stimolata, alla base del
funzionamento del LASER, la giunzione è realizzata con
semiconduttori degeneri, ovvero, semiconduttori aventi livelli
di drogaggio talmente elevati che il livello di Fermi si trova
all’interno della banda di conduzione della regione di tipo n
ed all’interno della banda di valenza della regione di tipo p.
All’equilibrio elettrodinamico.
Applicando una polarizzazione diretta di valore sufficiente, si
ha una forte iniezione di portatori nella regione di
svuotamento, per cui esistono contemporaneamente
popolazioni degenerate di elettroni e lacune. Questo assicura
che esiste una frequenza per cui si ha emissione stimolata e,
quindi, guadagno ottico. Se il drogaggio non è forte, la
condizione di inversione non può verificarsi (semiconduttore
non degenere) ed il semiconduttore emette per sola
emissione spontanea, il dispositivo risulta essere un LED.
L'inversione di popolazione è tanto maggiore quanto
maggiore è la corrente di conduzione diretta.
Diodi LASER ad omogiunzione
Nella regione di svuotamento, la banda di conduzione viene parzialmente riempita
mentre quella di valenza viene parzialmente svuotata (si riempie di lacune). Si realizza in
tal modo la condizione di inversione di popolazione. Ciò avviene fino al raggiungimento
dei quasi-livelli di Fermi EFc ed EFv nella condizione di quasi-equilibrio.
In tale situazione, un fotone con energia pari a Eg = hν, non può venire assorbito in
quanto la minima energia necessaria per l'assorbimento è EFc - EFv > Eg.
L'emissione stimolata è, però, nella condizione di prevalere sull'assorbimento perché, se
hν<EFc-EFv, il fotone può ugualmente stimolare una transizione dalla banda di conduzione
alla banda di valenza con emissione di un fotone avente energia Eg.
Affinché ciò si verifichi deve, allora, essere verificata la seguente relazione
E g < hυ < E Fc − E Fv
Sostanzialmente si è ottenuto un sistema a quattro
livelli (con E0 = EFv, E3 = EFc) grazie al meccanismo di
pompaggio adottato.
Il confinamento ottico nella regione attiva è
garantita dal salto dell’indice di rifrazione tra la
regione di svuotamento e le regioni neutre
confinanti.
Per un LD ad omogiunzione GaAs ∆n<1%.
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Il confinamento ottico di un LD omogeneo è limitato dalla bassa variazione di indice di
rifrazione esistente tra la regione di svuotamento e le regioni neutre.
LD a doppia eterogiunzione
Maggiore confinamento degli elettroni
nella regione attiva, grazie alle barriere di
potenziale create dalle eterogiunzioni.
Densità di carica maggiore anche con
modesti correnti di iniezione.
Maggiore confinamento ottico grazie ad
una maggiore variazione dell’indice di
rifrazione (∆n≈5% per eterostruttura AlGaAs,
∆n<1% per omostruttura GaAs).
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
La maggiore densità di carica che si viene
a creare nella regione attiva di una
eterostruttura consente una drastica
riduzione
della
soglia
di
corrente
necessaria per l’innesco.
Riduzione delle perdite grazie ad una
maggiore
variazione
dell’indice
di
rifrazione.
Γ ≈ 1 − exp(− cost ⋅ ∆n ⋅ d )
d è la dimensione dello strato attivo
Coefficiente di confinamento pari al rapporto tra l’intensità della radiazione all’interno dello
strato attivo e la somma dell’intensità luminosa all’interno ed all’esterno dello strato attivo.
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Il coefficiente di amplificazione g fornisce l’incremento di flusso ottico per unità di lunghezza
Coefficiente di amplificazione per un laser a InGaAsP a 1.3µm
Al di sotto di una certa concentrazione
dei portatori il guadagno è negativo e,
quindi, non si ha amplificazione ottica.
La soglia di corrente Ith, che determina
il minimo valore della concentrazione
di
portatori
necessaria
alla
realizzazione della condizione di
innesco, è detta corrente di soglia.
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Le differenti condizioni operative
Sottosoglia : la corrente applicata è inferiore al valore minimo di innesco, vi è una debole
emissione LASER in un range di lunghezze d’onda che copre l’intero spettro di guadagno.
L’emissione è prevalentemente spontanea in quanto non vi è sufficiente potenza per
sostenere l’emissione stimolata.
Appena soprasoglia : la corrente applicata è tale da sostenere l’emissione stimolata,
soltanto poche lunghezze d’onda a potenza maggiore sono presenti.
Piena potenza : la potenza è tale da ridurre al minimo l’emissione spontanea, soltanto un
numero ridotto di modi domina l’emissione stimolata (in alcune strutture soltanto uno).
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Vi è una forte dipendenza della corrente di
soglia dalla temperatura di esercizio.
I th (T ) = I o exp(T T0 )
Pe =
ηi =
Il valore di corrente I0 e di temperatura T0
sono funzioni del materiale semiconduttore
impiegato. I laser a semiconduttore usati
nelle
telecomunicazioni
ottiche
sono
generalmente
termostatati
per
evitare
instabilità delle caratteristiche di emissione.
α cav
1 I − I th
hυηi
α cav + α i
2 q
Rrad
Rrad
+ Rnon rad
2 Pe
ηd =
2dPe
hυ = η ⎛⎜1 − I th ⎞⎟
d
I
I ⎠
⎝
q
2 P hυ
ηtot = e =
ηext
VI
qV
ηext =
dI
hυ
q
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Chirp
Appena la potenza è applicata al LASER il brusco cambiamento della densità di flusso dei
portatori causa una variazione dell’indice di rifrazione della cavità. Inoltre, l’innesco del LASER
comporta un incremento molto rapido di temperatura.
Il rapido riscaldamento della cavità provoca due conseguenze:
• un’ulteriore variazione dell’indice di rifrazione;
• una variazione dell’ampiezza della banda proibita del semiconduttore.
La variazione dell’indice di rifrazione sposta, verso sinistra, la lunghezza d’onda centrale
distorcendo la forma del segnale generato (chirp).
Se effettuiamo una modulazione OOK agendo sulla
corrente di iniezione del diodo LASER, l’impulso
(idealmente rettangolare) in uscita risulta allargato.
Ciò non costituisce un grosso problema in trasmissioni
a breve distanza su di un unico canale, ma risulta
pericoloso se pensiamo ad una trasmissione a lunga
distanza di tipo WDM. L’allargamento dell’impulso
riduce drasticamente la velocità di trasmissione, ed è
questo il motivo per cui si adotta un modulatore
esterno per tassi di trasmissioni dell’ordine di 1Gbps.
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Trasmissione numerica return-to-zero (RZ)
Trasmissione numerica not-return-to-zero (NRZ)
Diodi LASER a doppia eterostruttura (DH LD)
Per minimizzare le perdite che si hanno quando la luce deve essere trasmessa dal LASER alla
fibra ottica, è possibile innescare emissione stimolata soltanto in una zona limitata della
regione attiva.
Ciò può essere ottenuto in maniera semplice, operando in due maniere differenti
• riducendo a tale zona l’unica regione in cui il guadagno ottico compensa le perdite
guidando la potenza elettrica in tale zona (Gain-Guided LASER). Una tipica tecnica
consiste nel limitare l’area del contato elettrico alla sola zona utile;
• confinando tale zona tra regioni aventi indici di rifrazione inferiori, si viene pertanto a
creare un effetto specchio che guida la luce (Index-Guided LASER).
In un classico Gain-Guided LASER l’ampiezza spettrale varia da 5 a 8 nm con un numero di
linee che va da 8 a 20. L’ampiezza di ciascuna linea è tipicamente di circa 0.005 nm.
In un classico Index-Guided LASER l’ampiezza spettrale varia da 1 a 3 nm con un numero di
linee che va da 1 a 5. L’ampiezza di ciascuna linea è tipicamente di circa 0.001 nm.
Diodi LASER a striscia d’ossido (Oxide Stripe Geometry)
I diodi laser ad "area estesa“ (l'inserzione dei portatori avviene in tutta la regione attiva del
dispositivo) non vengono impiegati in sistemi di comunicazione poiché, non consentono un
buon accoppiamento con la fibra ottica.
In un diodo laser a striscia d'ossido la corrente è iniettata tramite un sottile elettrodo a striscia
posto tra due strati di ossido. Lo strato eterogeneo è attivo solo nella zona sottostante alla
striscia di metallo massimizzando l'efficienza di accoppiamento con la fibra ottica.
LD ad area estesa
La corrente è applicata lungo un elettrodo a striscia e fluisce lungo il percorso meno resistivo, vi sarà
sufficiente guadagno soltanto nella porzione della regione attiva interessata dal flusso di corrente.
Diodi LASER Ridge Waveguide
Un ulteriore miglioramento si ottiene con una struttura Ridge Waveguide, in cui l'ossido viene
depositato ai lati di una "cresta" creata rimuovendo parte del materiale della
eterogiunzione.
La corrente è confinata in una zona ristretta, come nel caso del diodo laser a striscia
d'ossido, e, inoltre, si crea un fenomeno di guida dell'emissione che confina i fotoni nell'area
di ridge. Questo fenomeno è reso possibile dalla discontinuità laterale tra l'indice di
rifrazione del materiale e quello dell'ossido depositato.
LD ad area estesa
Diodi LASER a eterostruttura sepolta (Buried Heterostructure)
Nel diodo laser a eterostruttura sepolta il confinamento è ancora guidato dalla differenza di
indici di rifrazione.
L'area attiva è confinata internamente al semiconduttore da tutti i lati in modo da rendere la
variazione laterale dell'indice di rifrazione maggiormente controllabile ed efficace.
LD ad area estesa
In questo caso è ancora più evidente come la zona utile sia delimitata da regioni aventi indici di
rifrazione inferiori, le superfici di separazione si comportano come specchi che guidano e mantengono
meglio confinata la radiazione luminosa, rispetto al caso di un Gain-Guided LASER.
LASER monomodo
Un diodo LASER con strato attivo del tipo Fabry-Perot oscilla secondo una molteplicità di modi
longitudinali il cui numero è limitato dalla risposta del guadagno ottico alle varie lunghezze
d'onda.
La presenza di più modi di oscillazione può essere un ostacolo per la realizzazione di
trasmettitori ad alta efficienza nei quali è importante che la radiazione sia monocromatica
avente lunghezza d’onda accordabile con il punto di zero dispersione della fibra. Inoltre, in
sistemi Wavelength Division Multiplexed (WDM) vogliamo trasmettere in fibra più segnali ottici
multiplexati, affinché ciò sia possibile, l’ampiezza spettrale di ciascun segnale deve risultare
più piccola possibile.
Nei diodi laser monomodo vengono inibiti i modi longitudinali diversi dal modo
fondamentale. Una tecnica consiste nell’impiegare specchi con riflettività selettiva tali che
l’andamento del coefficiente di perdita αcav presenti un minimo in corrispondenza della
lunghezza d'onda λ0 di oscillazione. Solo in corrispondenza di tale lunghezza d’onda il
guadagno ottico può compensare le perdite e consentire l’innesco.
Rapporto di soppressione dei modi (Mode Soppression Ratio)
MSR = Pp Pl
Pp è la potenza ottica del modo principale
Pl è la potenza del modo laterale predominante.
Diodo LASER a retroazione distribuita
Una struttura monomodo è offerto dal diodo laser a retroazione distribuita (DFB, Distributed
Feedback), in cui la reazione ottica si realizza non con facce riflettenti ma con l'inserzione di
uno strato corrugato adiacente allo strato attivo che crea una perturbazione periodica
nell'indice di rifrazione.
La retroazione è resa possibile dal meccanismo della riflessione di Bragg.
Se il periodo Λ delle corrugazioni è multiplo di metà lunghezza d’onda incidente si realizzerà
interferenza costruttiva ed una porzione di luce può essere riflessa. Le altre lunghezza d’onda
interferiscono distruttivamente e non potranno essere riflesse. I primi dispositivi realizzati con
tale tecnica avevano il reticolo creato al’interno della regione attiva ed erano affetti da forte
attenuazione. È questo il motivo per cui il reticolo è stato successivamente spostato in uno dei
due strati adiacenti alla regione attiva, il campo evanescente che accompagna l’onda
luminosa si estende nello strato adiacente ed interagisce con il reticolo.
m
λ
2ne ff
=Λ
Diodo LASER a retroazione distribuita
Un tipico LASER DFB esibisce uno spettro praticamente monocromatico rispetto ad un classico
Fabry-Perot. Il rapporto di soppressione dei modi laterali è di circa 35 dB, purtroppo, non è
possibile variare in un ampio range la lunghezza d’onda di emissione (agendo sulla
temperatura è possibile ottenere una variazione di pochi nanometri).
Emissione: 0.8 /2.8 µm.
Potenza in uscita: decine di milliwatt.
Linewidth: poche centinaia di MHz.
Diodo LASER a riflettori di Bragg distribuiti( LD DBR, Distributed Bragg Reflectors)
Un diodo LASER a riflettori di Bragg distribuiti opera in maniera molto simile ad un diodo DFB
con la differenza che ora la diffrazione di Bragg è realizzata in una regione diversa da quella
attiva.
La necessità di disporre di questa struttura nasce dal fatto che, in un diodo DFB, la variazione
dell’indice di rifrazione all’interno della cavità, dovuta al cambiamento di temperatura ed
alle variazioni del flusso degli elettroni, altera l’indice di rifrazione del reticolo e, dunque, la
lunghezza d’onda selezionata.
Posizionando il reticolo all’interno della cavità ma in una regione diversa da quella attiva è
possibile ottenere una minore dipendenza della lunghezza d’onda d’esercizio dall’indice di
rifrazione del mezzo attivo. Un diodo DBR è caratterizzato da una riga spettrale molto stretta
(0.0001nm, pochi MHz), il problema è però costituito dalle perdite di assorbimento nella
regione non-attiva prossima al reticolo.
Diodo LASER a retroazione distribuita
Problematiche relative ai DFB
I LASER DFB sono estremamente sensibili alle riflessioni. Ogni riflessione entrante nella cavità
rovina la stabilità del risonatore e causa un allargamento della riga spettrale. Per minimizzare
tale effetto il dispositivo viene offerto con un isolatore ottico integrato.
I LASER DFB sono sensibili alla temperatura, la variazione di lunghezza d’onda conseguente
alla variazione di temperatura non ha un grosso effetto nel caso di trasmissione su singolo
canale, ma risulta critica nel caso di una trasmissione WDM. Il dispositivo richiede, pertanto,
un controllo di temperatura ed un sistema di raffreddamento tramite cella di Peltier integrata
nello stesso package del LASER. Purtroppo, durante la trasmissione digitale di una lunga
sequenza di bit alti, la cavità tende a riscaldarsi e la corrispondente variazione di lunghezza
d’onda potrebbe essere troppo rapida per essere contrastata dalla cella di Peltier. In tal
caso l’unica alternativa consiste nell’impiegare un protocollo di comunicazione che tenda a
bilanciare la presenza di bit alti con altrettanti bit bassi.
Per controllare le fluttuazioni del fascio laser un fotorivelatore è spesso incluso nello stesso
package del LASER. Il fotorivelatore è inserito sulla faccia retro del dispositivo in modo da
rivelare la piccola quantità di radiazione luminosa trasmessa ed offrire un segnale di
feedback che va a regolare la corrente di pilotaggio del dispositivo.
La presenza dell’isolatore, del sistema di raffreddamento, del fotorivelatore e del sistema di
controllo incrementa notevolmente il costo del dispositivo.
Diodo LASER a retroazione distribuita
Diodo LASER a retroazione distribuita
Diodo DFB con modulatore elettro-assorbitivo integrato
La velocità di modulazione diretta è ovviamente limitata dalle capacità interne del
dispositivo e dalla massima velocità dei portatori nel semiconduttore. D’altro canto ricorrere
ad un modulatore esterno comporta un aggravio di costi ma anche di perdite dovute al non
perfetto accoppiamento sorgente-modulatore.
Una soluzione consiste nell’integrare un modulatore elettro-assorbitivo nello stesso package
del diodo LASER. La regione assorbente è separata sia elettricamente che otticamente dalla
cavità LASER. Il LASER opera sempre nello stato ON e la modulazione è ottenuta variando
elettricamente il coefficiente di assorbimento del modulatore. La velocità di modulazione
che si ottiene è decisamente superiore a quella che si avrebbe modulando la corrente di
pilotaggio nella regione attiva.
Diodo DFB con modulatore elettro-assorbitivo integrato
C’è da osservare che la variazione della costante di assorbimento produce una variazione
dell’indice di rifrazione e, dunque, una modulazione spuria di frequenza (chirp).
Tuttavia la modulazione spuria risulta di entità inferiore rispetto al caso di laser modulati
direttamente e può essere controllata durante la fase di progetto del dispositivo.
Alimentazione: pochi Volt.
Modulation Bandwith: decine di MHz.
Diodo LASER accordabile a multisezione
In molte situazione è desiderabile modificare la lunghezza d’onda d’emissione di un sistema
LASER. Alcuni sistemi WDM richiedono tale capacità (un singolo LASER in grado di sintonizzarsi
sulle lunghezze d’onda di tutti i canali di trasmissione), senza contare che il deterioramento
del materiale attivo modifica la lunghezza d’onda originaria per cui occorre ripristinarla.
Diodo LASER accordabile a multisezione
Una prima soluzione, costituita da due sezioni, è riportata di seguito
• sezione di sinistra, mediante la corrente di iniezione è possibile alterare il guadagno della
regione attiva;
• sezione di destra, il flusso di elettroni altera l’indice di rifrazione e pertanto la lunghezza
d’onda selezionabile
Tale sistema consente di ottenere variazioni discrete della lunghezza d’onda d’esercizio di
circa 10nm.
Diodo LASER accordabile a multisezione
Un’altra soluzione è costituita da una struttura a tre sezioni.
Per ottenere una variazione più fine della lunghezza d’onda (<10nm) è possibile inserire una
sezione di fase tra quella attiva e quella di Bragg. Variando la corrente iniettata nella sezione
di fase varia l’indice di rifrazione del mezzo e dunque la lunghezza d’onda d’esercizio.
Ovviamente, la struttura a tre sezioni è molto costosa dal momento che richiede una
elettronica di controllo più sofisticata.
Diodo LASER accordabile a multisezione
Diodo LASER accordabile a reticoli campionati
Un LASER multisezione offre una variazione di lunghezza d’onda dell’ordine di una decina di
nanometri, tale variazione può risultare insufficiente per alcune applicazioni. Per estendere il
range di variazione della lunghezza d’onda, è possibile ricorrere ad un reticolo di Bragg
campionato ovvero costituito da più reticoli, separati fra loro, di piccole dimensioni.
Un reticolo di Bragg campionato gode della proprietà di esibire un picco di riflettanza non
soltanto in corrispondenza di una singola lunghezza d’onda ma in corrispondenza di una
serie di lunghezze d’onda.
Diodo LASER accordabile a reticoli campionati
Consideriamo un LASER a retroazione distribuita caratterizzato da due reticoli campionati,
disposti sui due lati opposti della struttura, aventi differenti periodi di diffrazione.
Soltanto il picco di risonanza
comune ad entrambi i reticoli 1 e
2 potrà risuonare all’interno della
struttura.
Purtroppo, è possibile ottenere solo
una variazione della lunghezza
d’onda discontinua.
Diodo LASER a cavità esterna
In un LD a cavità esterna una delle due facce laterali non è riflettente e la selezione del
modo longitudinale si ottiene accoppiando l’emissione del dispositivo con un reticolo di
diffrazione esterno. L’accoppiamento è garantito da una lente.
La cavità esterna ci consente di impiegare un reticolo molto più selettivo di quello che si
integra all’interno di una cavità normale. La riga spettrale emessa da tale configurazione di
LASER è decisamente stretta (poche decine di KHz).
Collocando il reticolo su di un movimentatore (cristallo piezoelettrico) è possibile variare la
frequenza dell’oscillazione variando la posizione del reticolo di diffrazione. In tal modo
otteniamo un ampio range di lunghezze d’onda possibili ma una bassa velocità di
variazione.
Una versione alternativa consiste nel sostituire il reticolo di Bragg esterno con un reticolo
integrato in fibra ottica.
Diodo LASER a cavità esterna
In questo caso la cavità si estende all’interno della fibra e lo specchio all’estremità del LASER
è costituito dal reticolo di Bragg.
• Il dispositivo ha un costo inferiore rispetto ad altre strutture DFB e DBR.
• La lunghezza d’onda può essere controllata molto accuratamente.
• Utilizzando un reticolo fortemente selettivo è possibile ottenere una linea spettrale molto
stretta dell’ordine di 50 KHz.
• Il controllo della temperatura non è una condizione così stringente dal momento che il
reticolo non produce calore e che è possibile compensarne le variazioni di temperatura
senza ricorrere a tecniche attive di controllo.
Diodo LASER a cavità esterna
Un diodo LASER a cavità esterna consente sia di ottenere un elevato rapporto di soppressione
dei modi laterali (circa 45 dB), sia un ampio range di accordabilità (1490÷1590 nm).
Diodo LASER a cavità accoppiate (LD C3, Cleaved-Coupled-Cavity)
Il laser C3 consiste di due laser a cavità Fabry-Perot autoallineati e strettamente accoppiati in
modo da formare un risonatore a due cavità. Si ha risonanza solo per quelle frequenze che
sono di risonanza per entrambe le cavità.
Nel laser C3 l'accoppiamento avviene tra due sezioni identiche ottenute scavando un solco
di alcuni micron, al centro della sezione di un laser convenzionale.
La presenza del solco inibisce i modi secondari e, variando la corrente di iniezione della
cavità secondaria è possibile mantenere le caratteristiche di sintonizzabilità del dispositivo.
λ=
2Ln 2Dn
=
m1
m2
Diodi LASER a pozzo quantistico (Quantum Well)
I LASER DFB e DBR sono spesso realizzati tramite una struttura a pozzo quantistico.
In un LASER QW lo strato attivo è caratterizzato da uno spessore talmente sottile da essere
confrontabile con le dimensione della lunghezza d’onda quantistica associata ad un
elettrone nel semiconduttore. La densità degli elettroni nella banda di conduzione assume
una forma a gradini e gli elettroni restano intrappolati in buche di potenziale,
analogamente accade per le lacune in banda di valenza.
Diodi LASER a pozzo quantistico (Quantum Well)
In un LASER QW l’altezza della cavità è ridotta a circa 10÷20 nm, la larghezza è di circa
5÷10 µm (consente di inibire i modi laterali) e la lunghezza è tipicamente di 200÷250 µm
(consente di ottenere un sufficiente guadagno). Dal momento che, rispetto ad una classica
struttura, il mezzo attivo è drasticamente ridotto, anche la quantità minima di energia che
consente l’innesco risulta ridotta (riduzione della corrente di soglia), inoltre, la forma assunta
dalla densità di energia, in banda di conduzione e in banda di valenza, consente una riga
di emissione molto più stretta rispetto a quella emessa da strutture convenzionali.
Purtroppo, avendo ridotto le dimensioni della regione attiva anche la potenza ottica
emessa risulta ridotta. Una soluzione a tale inconveniente consiste nell’impilare più pozzi
quantistici (Multiple Quantum Well LASER) in modo da incrementare la potenza ottica
emessa.
Ovviamente la struttura multipla presenta
una riga di emissione più ampia rispetto al
singolo pozzo quantistico.
Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)
Tutti i tipi di diodi LASER incontrati finora emettono luce attraverso una loro superficie laterale,
un VCSEL, invece, emette luce dalla sua superficie superiore tramite una complessa struttura
di sottili strati di semiconduttore.
La struttura della regione attiva è del tipo pozzo quantistico (la luce si comporta come fotone
e non come onda), il diametro ha una tipica dimensione di 12 µm, per funzionamento singolo
modo, o di 20 µm per funzionamento multimodo.
I due specchi sono
realizzati mediante strati
di materiali con differenti
indici di rifrazioni in
modo da formare dei
reticoli di Bragg.
Gli
specchi
devono
essere caratterizzati da
un’elevata riflettività, dal
momento
che
sono
necessari molti passaggi
attraverso la piccola
regione
attiva
per
ottenere un sufficiente
guadagno.
Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)
• La potenza accoppiata in uscita è dell’ordine dei milliwatt, del tutto adeguata per
trasmissioni LAN in cui vogliamo trasmettere nei limiti di sicurezza per gli occhi. Tipici LED
impiegati in trasmissioni LAN emettendo molta meno potenza richiedono in ricezione
costosi fotodiodi in InGaAs, VCSEL in trasmissioni LAN possono lavorare con fotoricevitori in
Si dal basso costo.
• Tipici VCSEL operano nella prima banda di attenuazione e sono impiegabili in trasmissioni
fino a 500 m.
• VCSEL con diametro di 20 danno vita a più modi trasversi e possono essere accoppiati
ad economiche fibre multimodo.
• Grazie ad una bassa divergenza circolare, il fascio emesso può essere facilmente ed
efficacemente accoppiato alla fibra ottica.
• Tipici VCSEL hanno basse correnti di soglia (anche minori di 5 mA), bassa dissipazione di
potenza ed una ampia banda di modulazione (2,4 GHz).
• I VCSEL sono dispositivi molto stabili e non richiedono il fotodiodo per monitorare il fascio
emesso e la costosa elettronica di controllo.
Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)
