eng
Выпуск #4/2016
Д.Шелестов, С.Томилов
Стабилизация длины волны излучения диодных лазеров. Динамические характеристики элементов Пельтье
Стабилизация длины волны излучения диодных лазеров. Динамические характеристики элементов Пельтье
Просмотры: 7673
Генерация излучения в полупроводниковых лазерах неизменно сопровождается нежелательными теплообразующими процессами, что приводит к нестабильности длины волны. Введение в схему термостабилизации РОС-лазеров (λ = 1 550 нм), выполненных в корпусе Butterfly, измерительного моста с дифференциальным усилителем привело к уменьшению нестабильности длины волны с 4 пм до 300 фм. Изучена термоэлектрическая передаточная характеристика встроенного контура охлаждения для определения оптимальной полосы пропускания элемента Пельтье. Показано, что для различных лазерных диодов (длины волн 1 550, 1 310 и 980 нм) частота среза работы элемента Пельтье лежит в диапазоне 0,2—0,4 Гц.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.52.63
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.52.63
Теги: dfb-laser laser laser driver peltier element thermoelectric cooler wavelength stability вutterfly package драйвер лазера корпус butterfly полупроводниковый лазер рос-лазер стабильность длины волны элемент пельтье
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые лазерные диоды нашли широкое применение в различных технических и научных сферах благодаря целому ряду преимуществ перед другими источниками монохроматического излучения. Относительная дешевизна и простота накачки, ставшие в свое время настоящим прорывом, – основные преимущества этих лазеров в сравнении с другими излучателями, прибавим к этому компактность конструкции источников. Однако рядом с другими лазерами полупроводниковые лазерные диоды имеют низкую когерентность пучка. За прошедшие полвека полупроводниковые лазеры прошли долгий путь, их техника претерпела множество изменений и улучшений. Можно разделить лазеры на мощные диоды, позволяющие получить до нескольких десятков ватт оптической мощности [1], и прецизионные диоды с шириной линии от 30 кГц до 2 МГц и мощностью до 1 Вт [2]. В статье рассмотрены условия стабилизации параметров второй группы.
Область применений лазерных диодов второй группы очень широка. Так, методы лазерной диодной спектроскопии, широко применяемые в исследованиях параметров газовых сред – состава, концентрации, температуры, давления, – используют весь ряд существующих полупроводников для охвата максимального спектрального диапазона.
Благодаря относительно простой и надежной компоновке лазерных модулей (рис.1) со встроенным коллиматором излучения в волоконной оптике лазерные диоды используются в качестве передатчиков цифрового сигнала. Такое использование лазеров потребовало вложения больших ресурсов в совершенствование технологии их изготовления. Однако главное условие, предъявляемое к характеристикам лазерного диода в таком случае, одно – быстродействие. Современные диоды способны передавать данные с частотой 40 Гбит/с и более. Стабильность длины волны, ширины полосы и прочие параметры не оказывают существенного влияния на выполнение подобных передаточных функций. Но требования, предъявляемые к быстродействию лазерных полупроводниковых диодов, работающих в области волоконно-оптической сенсорики, ниже. Зато возрастают потребности в стабилизации мощности, длины волны, ширины полосы излучения, поскольку изменения значений всех этих величин могут нести на себе измерительную информацию. И связь, и сенсорные системы, главным образом, используют стандартные типы волокон и коммутационных элементов. Это и обусловливает выбор длин волн в соответствии с известными окнами прозрачности – 1 310±20 нм и 1 550±20 нм и прочие. Надежность и простота построения систем на основе волоконных компонентов обусловливают их использование в жестких условиях эксплуатации [3], в том числе в космической технике. Так, использование излучения лазерного диода в качестве задающего для инфракрасного фурье-спектрометра требует повышенной стабильности длины волны вплоть до ее привязки к внешнему атомному резонансу [4]. Третьим ключевым направлением применения лазерных диодов в волоконной оптике являются волоконные лазеры, где лазерные диоды являются самым распространенным источником накачки для активного волокна. Так, волоконный лазер ультракоротких импульсов является ключевым элементом при связывании оптического и радио-диапазонов [5, 6]. Длины волн излучения накачки при этом должны в первую очередь соответствовать линиям поглощения активатора волоконного лазера, для эрбия (Er) и иттербия (Yb) используются 980 нм и 960 нм соответственно. Серийно изготовляемые лазерные модули на эти длины волн идентичны своим телекоммуникационным аналогам. В данной работе для оценки оптических характеристик использовались длины волн вблизи 1 550 нм и 1 310 нм, а для оценки характеристик элементов Пельтье дополнительно рассмотрен лазерный модуль на 980 нм.
В соответствии с требованиями подбирается нужный тип полупроводникового излучателя, например DFB, ECL или FP, где:
• FP – лазерныe диоды с резонатором Фабри-Перо (Fabry-Perot), который образуется торцевыми поверхностями, окружающими гетерогенный переход. Одна из поверхностей практически полностью отражает излучение, другая является полупрозрачной, способствуя его выходу наружу. Излучатель обладает наилучшим соотношением цена-качество, но при этом генерирует многомодовое излучение;
• DFB – лазерные диоды с распределенной обратной связью (Distributed Feedback), резонаторы которых представляют собой модификацию резонатора Фабри-Перо с добавлением периодической пространственной модуляционной структуры. Данная структура влияет на характеристики излучения и условия его распространения. Преимуществом этих лазеров по сравнению с FP является меньшая зависимость длины волны лазера от тока инжекции и температуры и высокая стабильность одномодовости;
• ECL – лазеры с внешней резонаторной полостью (External Cavity Laser). Используя данную полость, можно механически осуществлять подстройку длины волны, а также использовать в качестве зеркала резонатора узкополосные фильтры (например, брегговскую решетку), тем самым обеспечивая одномодовость.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Практически все вышеперечисленные параметры лазерных диодов имеют ту или иную зависимость от температуры кристалла [7]. Проанализируем ее влияние на стабильность длины волны излучения.
В любом лазере полупроводникового типа генерация излучения неизменно сопровождается нежелательными теплообразующими процессами, такими как безызлучательная рекомбинация, эффект Оже, или поверхностная рекомбинация. Даже в высокоэффективных излучателях большая часть электрической энергии превращается в тепловую. Повышение температуры ведет к ухудшению основных характеристик лазера, таких как пороговый ток, выходная мощность, в том числе спектральные характеристики, и в итоге может привести к поломке [8].
В работе [9] показаны основные причины смещения длины волны лазерного диода при изменении его температуры, приводящие к функции вида λ ( T ) ~ ( 1 - αT ) –1, где α – температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны полупроводника. На практике рабочий температурный диапазон охватывает только небольшую часть кривой, которую в экспериментальных исследованиях аппроксимируют как линейной [10], так и квадратичной [11] зависимостями:
λ ( T ) = χ T 2 + β ( 0 ) T + λ0 ,
где χ – коэффициент нелинейности, имеющий размерность нм/°C 2, β ( 0 ) – коэффициент зависимости длины волны от температуры при Т = 0 °C нм/°C, λ0 – некоторое номинальное (паспортное) значение длины волны излучения, нм.
Среднее значение коэффициента нелинейности χ для различных лазерных диодов колеблется около значения –0,0002 нм/°C 2, для коэффициента β (0) это значение равно 0,1 нм/°C. Можно вычислить, что при разбросе температур от 0 до 40 °C изменение длины волны составит величину до 3 нм. Это свойство может быть использовано для организации умышленной перестройки длины волны [12]. Главным ограничением температурного диапазона с стороны высоких температур является опасность разрушения лазерного диода из-за выгорания оптических покрытий, образующих резонатор. Однако с обеих сторон диапазона действует другое ограничение – изменение передаточных функций элементов, образующих контур стабилизации температуры и приводящее к снижению стабильности поддержания температуры. Во-первых, нелинейная характеристика термистора при высоких температурах теряет крутизну, что приводит к ослаблению сигнала температуры. Во-вторых, при увеличении модуля разности температур между внешним радиатором (корпус лазерного модуля) и лазерного диода эффективность теплоотвода через элемент Пельтье снижается, что с точки зрения контура регулирования понимается как снижение коэффициента усиления. Действие обоих процессов приводит к тому, что контур, оптимально настроенный на работу при комнатной температуре, на границах диапазона демонстрирует значительно более низкую стабильность длины волны.
Следует отметить, что длина волны полупроводникового лазера имеет сильную зависимость не только от температуры, но и от тока инжекции [11]. В данной работе подразумевается, что в применениях, которые требуют максимально возможной для данного типа лазера стабильности частоты, используется непрерывный режим работы – оптическая мощность постоянна. Этого можно добиться сочетанием постоянного тока инжекции (что является достаточно тривиальной задачей) и постоянной температуры излучателя. Задача анализа стабильности частоты и температуры в условиях, к примеру, прямой токовой модуляции оптической мощности выходит за рамки данной работы.
Также имеет место и обратная ситуация. Осуществляя процесс стабилизации температуры в фиксированной рабочей точке при неизменном токе инжекции, оптическая мощность будет постоянной. Однако при смещении рабочей точки по температуре прежнее значение тока инжекции будет соответствовать уже новому значению оптической мощности [11]. В данной работе этот вопрос не рассмотрен, так как максимальный уровень стабильности по длине волны, как правило, востребован в приборах и методах, работающих не по слежению за амплитудой или интенсивностью, а по частоте. В таком случае смещение в среднем уровне мощности не сказывается на работе систем.
КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООТВОДА ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ В КОРПУСЕ ТИПА BUTTERFLY И СТАБИЛЬНОСТЬ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
Базовая схема теплоотвода лазерных диодов в корпусах типа Butterfly или в аналогичных корпусах представлена на рис.2. Из-за плохой теплопроводности полупроводника для лазерных диодов мощностью более 5 мВт пассивного теплоотвода недостаточно – сильные температурные флуктуации ухудшают все параметры излучения. Поэтому часто излучающий кристалл располагается на активном теплоотводящем элементе (элементе Пельтье), который в свою очередь присоединен к радиатору с достаточной теплоемкостью и площадью поверхности теплоотвода.
Сам элемент Пельтье (или термоэлектрический модуль) представляет собой совокупность термопар, изменяющую разность температур на собственных рабочих поверхностях в зависимости от направления и величины протекающего тока. Основными параметрами элементов являются рабочий ток и напряжение, а также максимальная холодопроизводительность в ваттах, составляющая, как правило, 55–60% потребляемой электрической мощности.
На рис.3 представлена элементарная схема драйвера Пельтье. Его работа основана на наличии в системе обратной связи по температуре – разогрев кристалла приводит к изменению сопротивления встроенного в непосредственной близости от излучателя термистора, который в свою очередь влияет на усилительный каскад элемента Пельтье. Ток через элемент Пельтье изменяется в сторону, позволяющую ему скомпенсировать температурные колебания кристалла.
Для анализа существующей стабильности по длине волны произведем измерение длины волны в реальном времени для лазерного диода, драйвер которого организован по схеме, показанной на рис.3, с помощью измерителя длины волны Angstrom WSU-2 [12]. Основу прибора составляют несколько интерферометров Физо, опрашиваемых фотодиодными массивами. Излучение подается на клиновидную призму, делящую поток на две составляющих, которые интерферируют в плоскости приемника излучения. Результирующая длина волна является результатом преобразования Фурье от распределения интенсивности интерференционной картины в плоскости фотоприемника. Предел допускаемой погрешности по длине волны для данного прибора при кратковременном измерении составляет 30 пм (по частоте – 4 МГц). При долговременной эксплуатации предел может возрастать до 150 пм (в зависимости от периодичности калибровок прибора), что не сказывается на кратковременных измерениях стабильности длины волны. Рабочий спектральный диапазон прибора – от 1 300 до 1 650 нм.
Как видно из результатов измерений (рис.4), уход длины волны за 5 мин работы прибора составил более 10 пм (1,3 ГГц), что соответствует относительной стабильности 6,6 · 10 –6. Этот результат оценивается как посредственный и не подходит, например, для применения в качестве референтного канала инфракрасного фурье-спектрометра [13].
Даже при визуальном анализе полученного графика можно сделать вывод о том, что наблюдаемый шум имеет широкий спектр – от явно выраженной низкочастотной составляющей, до условно высокочастотных выбросов, причем последние вносят заметно больший вклад в разброс значений.
Данные высокочастотные шумы могут быть следствием различных радиоэлектронных помех, классическим решением по борьбе с которыми является введение измерительного моста с дифференциальным усилителем. Модернизированная реализация драйвера Пельтье представлена на рис.5. Термистор выступает в роли нижнего плеча измерительного моста, подключенного к одному из входов инструментального усилителя. В случае, когда температура постоянна, разность напряжения на входах усилителя равна постоянной величине, и тот подает постоянный сигнал, требуемый для работы Пельтье в режиме баланса между процессами саморазогрева кристалла во время излучения и охлаждения. Когда баланс смещается в одну или другую сторону, температура начинает изменяться, как изменяется и сопротивление термистора. Усилитель начинает подавать сигнал, равный разности входных напряжений, помноженных на коэффициент усиления. Этот сигнал поступает на вход силового выходного каскада Пельтье на основе операционных усилителей, повторно усиливается, и в конечном этапе изменяет ток Пельтье. Второй вход инструментального усилителя связан с ЦАП управляющего микроконтроллера и позволяет осуществлять установку рабочей температуры, которую будет стараться поддерживать система.
Повторно проведены измерения длины волны для модернизированного драйвера (рис.6). Взаимовычитание одинаковых шумов на входах дифференциального усилителя дало заметный результат – уменьшение разброса до трехсот фемтометров, т.е в 3–12 раз. Наглядное представление о снижении уровня шумов может дать сравнительный фурье-анализ результатов двух измерений, показанный на рис.7. Рабочая точка по температуре для лазерного диода равна комнатной (25 °С) – в этих условиях работа элемента Пельтье наиболее эффективна.
Для дальнейшего повышения стабильности температуры, как основного фактора, влияющего на параметры диода, необходимо проанализировать динамические характеристики используемых элементов Пельтье и особенности построения контура охлаждения на его основе.
При анализе были использованы следующие модели лазерных диодов:
• EP1310-ADF-B, производитель – "EBLANA PHOTONICS", Ирландия. Согласно документированным параметрам, максимальный ток через элемент Пельтье составляет 1,8A.
• LDIH-DFB(CWDM)-1550-30P-T2-SM-FC/APC, производитель – "Laserscom", Белоруссия. Максимальный ток через элемент Пельтье – 1,5А.
• LC96, производитель – "Oclaro", США. Ток через элемент Пельтье 1,8A, напряжение Пельтье 3В, холодопроизводительность – 3,3 Вт.
Контур управления, не оптимизированный в соответствии с динамическими свойствами элемента Пельтье, не позволит реализовать заложенные в данный лазерный диод характеристики. Для того чтобы определить, какие меры нужны для повышения эффективности схемы, необходимо качественно изучить передаточные характеристики термоэлектрической цепи термистор – элемент Пельтье.
Введем понятие термоэлектрической передаточной характеристики, описывающее отклик системы, охваченной обратной связью по температуре, на входной сигнал определенной частоты. Для определения термоэлектрических характеристик элементов Пельтье различных лазерных диодов была собрана следующая схема (рис.8).
Подаваемый синусоидальный сигнал на вход Пельтье приводит к периодическому изменению температуры в системе. Термистор подключен к одному из входов инструментального усилителя. Изменение сопротивления термистора сказывается на выходном сигнале ИУ.
Сопоставляя входной сигнал и отклик термистора, можно сформировать АЧХ и ФЧХ контура обратной связи по температуре (рис.9 и 10). Анализируя полученные зависимости, можно сделать несколько выводов. Во-первых, как и предполагалось, с увеличением частоты термистор перестает "успевать" за изменениями температуры. Это видно по снижению амплитуды колебаний выходного сигнала и постепенно возрастающей разности между фазами выходного и входного сигналов. Во-вторых, динамические характеристики различных серийно используемых элементов Пельтье качественно схожи и могут обслуживаться универсальной схемой. Тем не менее, для достижения наивысших характеристик схема должна быть дополнительно согласована с АЧХ/ФЧХ конкретного используемого изделия.
ПРОВЕРКА АЧХ ЭЛЕМЕНТА ПЕЛЬТЬЕ ЧЕРЕЗ МОДУЛЯЦИЮ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
Спад амплитудно-частотной характеристики нашей системы в области 0,5–1,0 Гц обусловлен инертностью содержащихся в схеме тепловых элементов – термистора, элемента Пельтье, а также их температурной связью. Чтобы оценить отдельный вклад элемента Пельтье в термоэлектрическую характеристику, нами был организован следующий эксперимент.
Было реализовано программное управление драйвером лазера через UART-интерфейс, с помощью которого на ЦАП контроллера был подан синусоидальный сигнал, изменяющий рабочую точку температуры системы термостабилизации. Реагируя на перепад температур, излучение диода оказывается промодулированным.
Регистрируя размах колебаний частоты излучения, постепенно увеличивая частоту колебаний, мы получили АЧХ оптического отклика.
Как видно из графика на рис.12, АЧХ оптического отклика подобна АЧХ термоэлектрической обратной связи, что еще раз подтверждает инертность теплоотводящего элемента. Меньшее ослабление оптического отклика при повышении частоты можно объяснить тем, что излучающий кристалл более чувствителен к перепадам температуры, чем обратная связь системы термостабилизации.
ВЫВОДЫ
Результаты исследований показали, что для достижения наивысшей стабильности длины волны излучения полупроводниковых лазеров необходимо провести оптимизацию процесса термостабилизации.
Для подавления синфазных помех схема термостабилизации должна включать в себя измерительный мост в сочетании с дифференциальным усилителем.
Динамические характеристики различных серийно используемых элементов Пельтье качественно схожи и могут обслуживаться универсальной схемой.
Для достижения наивысших характеристик схема должна быть дополнительно согласована с АЧХ/ФЧХ конкретного используемого изделия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chi M., Jensen O. B., Erbert G., Sumpf B., Petersen P. M. Tunable high-power narrow-spectrum external-cavity diode laser at 675 nm as a pump source for UV generation. – Applied Optics, 2011, v.50 (1), p.90–94.
2. Wicht A., Strauss N., Ernsting I., Chepurov S., Schiller S., Huke P., Rinkleff R., Danzmann K. Widely Tunable, Narrow Linewidth Diode Laser for Precision Spectroscopy. – Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, Technical Digest (Optical Society of America, 2006).
3. Ayotte S., Faucher D., Babin A., Costin F., Latrasse C., Poulin M., Deschenes E. G., Pelletier F., Laliberte M. Silicon photonics-based laser system for high performance fiber sensing. – 24th International Conference on Optical Fibre Sensors, SPIE Proceedings, 2015. v.9634.
4. Завелевич Ф.С., Головин Ю.М., Десятов А.В., Мацицкий Ю.П., Никулин А.Г., Романовский А.С., Горбунов Г.Г., Городецкий А.К., Воронкевич А.В. Фурье-спектрометр для дистанционного зондирования атмосферы Земли. – Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – М.: Институт космических исследований РАН, 2006. т.3 (1). с.224–230.
5. Hansch T.W. Nobel Lecture: Passion for precision. – Rev. Mod. Phys., 2006, v.78 (4), p.1297–1309.
6. Lazarev V.A., Sazonkin S.S., Pniov A.B., Tsapenko K.P., Krylov A.A., Obraztsova E.D. Hybrid mode-locked ultrashort-pulse erbium-doped fiber laser. – Journal of Physics: Conference Series, 2004, v.486 (1).
7. Adams A.R., Asada M., Suematsu Y., Arai S. The Temperature Dependance of the Efficiency and Threshold Current of In1-xGaxAsyP1-y Lasers Related to Intervalence Band Absorption – Japanese Journal of Applied Physics, 1980, v.19 (10), p.L621 –L624.
8. Szymanski M. Mathematical Models of Heat Flow in Edge-Emitting Semiconductor Lasers. – Heat Transfer – Engineering Applications: InTech, 2011, p.3–28.
9. Bartl J., Fira R., Jacko V. Tuning of laser diode. – Measurement Science Review, 2002, v.2 (3), p.9–15.
10. Kondow M., Kitatani T., Nakahara K., Tanaka T. Temperature dependence of lasing wavelength in a GaInNAs laser diode. – IEEE Photonics Technology Letters, 2000, v.12 (7), p.777–779.
11. Ветров А.А., Данилов Д.А., Есипов С.С., Комиссаров С.С., Сергушичев А.Н. Cравнение температурных и электрических методов управления длиной волны излучения полупроводниковых лазеров. – Оптический журнал, 2009, т.76 (8), с.94.
12. Сompact wavelength meters with a large spectral range for high speed measurement of lasers [Электронный ресурс] // URL: http://www.highfinesse.com/en/wavelengthmeter (дата обращения: 20.06.2016).
13. Кошелев К.И. Стабилизация параметров лазерного источника излучения в условиях космоса. – Молодежный научно-технический вестник, 2014, №10.
Полупроводниковые лазерные диоды нашли широкое применение в различных технических и научных сферах благодаря целому ряду преимуществ перед другими источниками монохроматического излучения. Относительная дешевизна и простота накачки, ставшие в свое время настоящим прорывом, – основные преимущества этих лазеров в сравнении с другими излучателями, прибавим к этому компактность конструкции источников. Однако рядом с другими лазерами полупроводниковые лазерные диоды имеют низкую когерентность пучка. За прошедшие полвека полупроводниковые лазеры прошли долгий путь, их техника претерпела множество изменений и улучшений. Можно разделить лазеры на мощные диоды, позволяющие получить до нескольких десятков ватт оптической мощности [1], и прецизионные диоды с шириной линии от 30 кГц до 2 МГц и мощностью до 1 Вт [2]. В статье рассмотрены условия стабилизации параметров второй группы.
Область применений лазерных диодов второй группы очень широка. Так, методы лазерной диодной спектроскопии, широко применяемые в исследованиях параметров газовых сред – состава, концентрации, температуры, давления, – используют весь ряд существующих полупроводников для охвата максимального спектрального диапазона.
Благодаря относительно простой и надежной компоновке лазерных модулей (рис.1) со встроенным коллиматором излучения в волоконной оптике лазерные диоды используются в качестве передатчиков цифрового сигнала. Такое использование лазеров потребовало вложения больших ресурсов в совершенствование технологии их изготовления. Однако главное условие, предъявляемое к характеристикам лазерного диода в таком случае, одно – быстродействие. Современные диоды способны передавать данные с частотой 40 Гбит/с и более. Стабильность длины волны, ширины полосы и прочие параметры не оказывают существенного влияния на выполнение подобных передаточных функций. Но требования, предъявляемые к быстродействию лазерных полупроводниковых диодов, работающих в области волоконно-оптической сенсорики, ниже. Зато возрастают потребности в стабилизации мощности, длины волны, ширины полосы излучения, поскольку изменения значений всех этих величин могут нести на себе измерительную информацию. И связь, и сенсорные системы, главным образом, используют стандартные типы волокон и коммутационных элементов. Это и обусловливает выбор длин волн в соответствии с известными окнами прозрачности – 1 310±20 нм и 1 550±20 нм и прочие. Надежность и простота построения систем на основе волоконных компонентов обусловливают их использование в жестких условиях эксплуатации [3], в том числе в космической технике. Так, использование излучения лазерного диода в качестве задающего для инфракрасного фурье-спектрометра требует повышенной стабильности длины волны вплоть до ее привязки к внешнему атомному резонансу [4]. Третьим ключевым направлением применения лазерных диодов в волоконной оптике являются волоконные лазеры, где лазерные диоды являются самым распространенным источником накачки для активного волокна. Так, волоконный лазер ультракоротких импульсов является ключевым элементом при связывании оптического и радио-диапазонов [5, 6]. Длины волн излучения накачки при этом должны в первую очередь соответствовать линиям поглощения активатора волоконного лазера, для эрбия (Er) и иттербия (Yb) используются 980 нм и 960 нм соответственно. Серийно изготовляемые лазерные модули на эти длины волн идентичны своим телекоммуникационным аналогам. В данной работе для оценки оптических характеристик использовались длины волн вблизи 1 550 нм и 1 310 нм, а для оценки характеристик элементов Пельтье дополнительно рассмотрен лазерный модуль на 980 нм.
В соответствии с требованиями подбирается нужный тип полупроводникового излучателя, например DFB, ECL или FP, где:
• FP – лазерныe диоды с резонатором Фабри-Перо (Fabry-Perot), который образуется торцевыми поверхностями, окружающими гетерогенный переход. Одна из поверхностей практически полностью отражает излучение, другая является полупрозрачной, способствуя его выходу наружу. Излучатель обладает наилучшим соотношением цена-качество, но при этом генерирует многомодовое излучение;
• DFB – лазерные диоды с распределенной обратной связью (Distributed Feedback), резонаторы которых представляют собой модификацию резонатора Фабри-Перо с добавлением периодической пространственной модуляционной структуры. Данная структура влияет на характеристики излучения и условия его распространения. Преимуществом этих лазеров по сравнению с FP является меньшая зависимость длины волны лазера от тока инжекции и температуры и высокая стабильность одномодовости;
• ECL – лазеры с внешней резонаторной полостью (External Cavity Laser). Используя данную полость, можно механически осуществлять подстройку длины волны, а также использовать в качестве зеркала резонатора узкополосные фильтры (например, брегговскую решетку), тем самым обеспечивая одномодовость.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Практически все вышеперечисленные параметры лазерных диодов имеют ту или иную зависимость от температуры кристалла [7]. Проанализируем ее влияние на стабильность длины волны излучения.
В любом лазере полупроводникового типа генерация излучения неизменно сопровождается нежелательными теплообразующими процессами, такими как безызлучательная рекомбинация, эффект Оже, или поверхностная рекомбинация. Даже в высокоэффективных излучателях большая часть электрической энергии превращается в тепловую. Повышение температуры ведет к ухудшению основных характеристик лазера, таких как пороговый ток, выходная мощность, в том числе спектральные характеристики, и в итоге может привести к поломке [8].
В работе [9] показаны основные причины смещения длины волны лазерного диода при изменении его температуры, приводящие к функции вида λ ( T ) ~ ( 1 - αT ) –1, где α – температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны полупроводника. На практике рабочий температурный диапазон охватывает только небольшую часть кривой, которую в экспериментальных исследованиях аппроксимируют как линейной [10], так и квадратичной [11] зависимостями:
λ ( T ) = χ T 2 + β ( 0 ) T + λ0 ,
где χ – коэффициент нелинейности, имеющий размерность нм/°C 2, β ( 0 ) – коэффициент зависимости длины волны от температуры при Т = 0 °C нм/°C, λ0 – некоторое номинальное (паспортное) значение длины волны излучения, нм.
Среднее значение коэффициента нелинейности χ для различных лазерных диодов колеблется около значения –0,0002 нм/°C 2, для коэффициента β (0) это значение равно 0,1 нм/°C. Можно вычислить, что при разбросе температур от 0 до 40 °C изменение длины волны составит величину до 3 нм. Это свойство может быть использовано для организации умышленной перестройки длины волны [12]. Главным ограничением температурного диапазона с стороны высоких температур является опасность разрушения лазерного диода из-за выгорания оптических покрытий, образующих резонатор. Однако с обеих сторон диапазона действует другое ограничение – изменение передаточных функций элементов, образующих контур стабилизации температуры и приводящее к снижению стабильности поддержания температуры. Во-первых, нелинейная характеристика термистора при высоких температурах теряет крутизну, что приводит к ослаблению сигнала температуры. Во-вторых, при увеличении модуля разности температур между внешним радиатором (корпус лазерного модуля) и лазерного диода эффективность теплоотвода через элемент Пельтье снижается, что с точки зрения контура регулирования понимается как снижение коэффициента усиления. Действие обоих процессов приводит к тому, что контур, оптимально настроенный на работу при комнатной температуре, на границах диапазона демонстрирует значительно более низкую стабильность длины волны.
Следует отметить, что длина волны полупроводникового лазера имеет сильную зависимость не только от температуры, но и от тока инжекции [11]. В данной работе подразумевается, что в применениях, которые требуют максимально возможной для данного типа лазера стабильности частоты, используется непрерывный режим работы – оптическая мощность постоянна. Этого можно добиться сочетанием постоянного тока инжекции (что является достаточно тривиальной задачей) и постоянной температуры излучателя. Задача анализа стабильности частоты и температуры в условиях, к примеру, прямой токовой модуляции оптической мощности выходит за рамки данной работы.
Также имеет место и обратная ситуация. Осуществляя процесс стабилизации температуры в фиксированной рабочей точке при неизменном токе инжекции, оптическая мощность будет постоянной. Однако при смещении рабочей точки по температуре прежнее значение тока инжекции будет соответствовать уже новому значению оптической мощности [11]. В данной работе этот вопрос не рассмотрен, так как максимальный уровень стабильности по длине волны, как правило, востребован в приборах и методах, работающих не по слежению за амплитудой или интенсивностью, а по частоте. В таком случае смещение в среднем уровне мощности не сказывается на работе систем.
КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООТВОДА ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ В КОРПУСЕ ТИПА BUTTERFLY И СТАБИЛЬНОСТЬ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
Базовая схема теплоотвода лазерных диодов в корпусах типа Butterfly или в аналогичных корпусах представлена на рис.2. Из-за плохой теплопроводности полупроводника для лазерных диодов мощностью более 5 мВт пассивного теплоотвода недостаточно – сильные температурные флуктуации ухудшают все параметры излучения. Поэтому часто излучающий кристалл располагается на активном теплоотводящем элементе (элементе Пельтье), который в свою очередь присоединен к радиатору с достаточной теплоемкостью и площадью поверхности теплоотвода.
Сам элемент Пельтье (или термоэлектрический модуль) представляет собой совокупность термопар, изменяющую разность температур на собственных рабочих поверхностях в зависимости от направления и величины протекающего тока. Основными параметрами элементов являются рабочий ток и напряжение, а также максимальная холодопроизводительность в ваттах, составляющая, как правило, 55–60% потребляемой электрической мощности.
На рис.3 представлена элементарная схема драйвера Пельтье. Его работа основана на наличии в системе обратной связи по температуре – разогрев кристалла приводит к изменению сопротивления встроенного в непосредственной близости от излучателя термистора, который в свою очередь влияет на усилительный каскад элемента Пельтье. Ток через элемент Пельтье изменяется в сторону, позволяющую ему скомпенсировать температурные колебания кристалла.
Для анализа существующей стабильности по длине волны произведем измерение длины волны в реальном времени для лазерного диода, драйвер которого организован по схеме, показанной на рис.3, с помощью измерителя длины волны Angstrom WSU-2 [12]. Основу прибора составляют несколько интерферометров Физо, опрашиваемых фотодиодными массивами. Излучение подается на клиновидную призму, делящую поток на две составляющих, которые интерферируют в плоскости приемника излучения. Результирующая длина волна является результатом преобразования Фурье от распределения интенсивности интерференционной картины в плоскости фотоприемника. Предел допускаемой погрешности по длине волны для данного прибора при кратковременном измерении составляет 30 пм (по частоте – 4 МГц). При долговременной эксплуатации предел может возрастать до 150 пм (в зависимости от периодичности калибровок прибора), что не сказывается на кратковременных измерениях стабильности длины волны. Рабочий спектральный диапазон прибора – от 1 300 до 1 650 нм.
Как видно из результатов измерений (рис.4), уход длины волны за 5 мин работы прибора составил более 10 пм (1,3 ГГц), что соответствует относительной стабильности 6,6 · 10 –6. Этот результат оценивается как посредственный и не подходит, например, для применения в качестве референтного канала инфракрасного фурье-спектрометра [13].
Даже при визуальном анализе полученного графика можно сделать вывод о том, что наблюдаемый шум имеет широкий спектр – от явно выраженной низкочастотной составляющей, до условно высокочастотных выбросов, причем последние вносят заметно больший вклад в разброс значений.
Данные высокочастотные шумы могут быть следствием различных радиоэлектронных помех, классическим решением по борьбе с которыми является введение измерительного моста с дифференциальным усилителем. Модернизированная реализация драйвера Пельтье представлена на рис.5. Термистор выступает в роли нижнего плеча измерительного моста, подключенного к одному из входов инструментального усилителя. В случае, когда температура постоянна, разность напряжения на входах усилителя равна постоянной величине, и тот подает постоянный сигнал, требуемый для работы Пельтье в режиме баланса между процессами саморазогрева кристалла во время излучения и охлаждения. Когда баланс смещается в одну или другую сторону, температура начинает изменяться, как изменяется и сопротивление термистора. Усилитель начинает подавать сигнал, равный разности входных напряжений, помноженных на коэффициент усиления. Этот сигнал поступает на вход силового выходного каскада Пельтье на основе операционных усилителей, повторно усиливается, и в конечном этапе изменяет ток Пельтье. Второй вход инструментального усилителя связан с ЦАП управляющего микроконтроллера и позволяет осуществлять установку рабочей температуры, которую будет стараться поддерживать система.
Повторно проведены измерения длины волны для модернизированного драйвера (рис.6). Взаимовычитание одинаковых шумов на входах дифференциального усилителя дало заметный результат – уменьшение разброса до трехсот фемтометров, т.е в 3–12 раз. Наглядное представление о снижении уровня шумов может дать сравнительный фурье-анализ результатов двух измерений, показанный на рис.7. Рабочая точка по температуре для лазерного диода равна комнатной (25 °С) – в этих условиях работа элемента Пельтье наиболее эффективна.
Для дальнейшего повышения стабильности температуры, как основного фактора, влияющего на параметры диода, необходимо проанализировать динамические характеристики используемых элементов Пельтье и особенности построения контура охлаждения на его основе.
При анализе были использованы следующие модели лазерных диодов:
• EP1310-ADF-B, производитель – "EBLANA PHOTONICS", Ирландия. Согласно документированным параметрам, максимальный ток через элемент Пельтье составляет 1,8A.
• LDIH-DFB(CWDM)-1550-30P-T2-SM-FC/APC, производитель – "Laserscom", Белоруссия. Максимальный ток через элемент Пельтье – 1,5А.
• LC96, производитель – "Oclaro", США. Ток через элемент Пельтье 1,8A, напряжение Пельтье 3В, холодопроизводительность – 3,3 Вт.
Контур управления, не оптимизированный в соответствии с динамическими свойствами элемента Пельтье, не позволит реализовать заложенные в данный лазерный диод характеристики. Для того чтобы определить, какие меры нужны для повышения эффективности схемы, необходимо качественно изучить передаточные характеристики термоэлектрической цепи термистор – элемент Пельтье.
Введем понятие термоэлектрической передаточной характеристики, описывающее отклик системы, охваченной обратной связью по температуре, на входной сигнал определенной частоты. Для определения термоэлектрических характеристик элементов Пельтье различных лазерных диодов была собрана следующая схема (рис.8).
Подаваемый синусоидальный сигнал на вход Пельтье приводит к периодическому изменению температуры в системе. Термистор подключен к одному из входов инструментального усилителя. Изменение сопротивления термистора сказывается на выходном сигнале ИУ.
Сопоставляя входной сигнал и отклик термистора, можно сформировать АЧХ и ФЧХ контура обратной связи по температуре (рис.9 и 10). Анализируя полученные зависимости, можно сделать несколько выводов. Во-первых, как и предполагалось, с увеличением частоты термистор перестает "успевать" за изменениями температуры. Это видно по снижению амплитуды колебаний выходного сигнала и постепенно возрастающей разности между фазами выходного и входного сигналов. Во-вторых, динамические характеристики различных серийно используемых элементов Пельтье качественно схожи и могут обслуживаться универсальной схемой. Тем не менее, для достижения наивысших характеристик схема должна быть дополнительно согласована с АЧХ/ФЧХ конкретного используемого изделия.
ПРОВЕРКА АЧХ ЭЛЕМЕНТА ПЕЛЬТЬЕ ЧЕРЕЗ МОДУЛЯЦИЮ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
Спад амплитудно-частотной характеристики нашей системы в области 0,5–1,0 Гц обусловлен инертностью содержащихся в схеме тепловых элементов – термистора, элемента Пельтье, а также их температурной связью. Чтобы оценить отдельный вклад элемента Пельтье в термоэлектрическую характеристику, нами был организован следующий эксперимент.
Было реализовано программное управление драйвером лазера через UART-интерфейс, с помощью которого на ЦАП контроллера был подан синусоидальный сигнал, изменяющий рабочую точку температуры системы термостабилизации. Реагируя на перепад температур, излучение диода оказывается промодулированным.
Регистрируя размах колебаний частоты излучения, постепенно увеличивая частоту колебаний, мы получили АЧХ оптического отклика.
Как видно из графика на рис.12, АЧХ оптического отклика подобна АЧХ термоэлектрической обратной связи, что еще раз подтверждает инертность теплоотводящего элемента. Меньшее ослабление оптического отклика при повышении частоты можно объяснить тем, что излучающий кристалл более чувствителен к перепадам температуры, чем обратная связь системы термостабилизации.
ВЫВОДЫ
Результаты исследований показали, что для достижения наивысшей стабильности длины волны излучения полупроводниковых лазеров необходимо провести оптимизацию процесса термостабилизации.
Для подавления синфазных помех схема термостабилизации должна включать в себя измерительный мост в сочетании с дифференциальным усилителем.
Динамические характеристики различных серийно используемых элементов Пельтье качественно схожи и могут обслуживаться универсальной схемой.
Для достижения наивысших характеристик схема должна быть дополнительно согласована с АЧХ/ФЧХ конкретного используемого изделия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chi M., Jensen O. B., Erbert G., Sumpf B., Petersen P. M. Tunable high-power narrow-spectrum external-cavity diode laser at 675 nm as a pump source for UV generation. – Applied Optics, 2011, v.50 (1), p.90–94.
2. Wicht A., Strauss N., Ernsting I., Chepurov S., Schiller S., Huke P., Rinkleff R., Danzmann K. Widely Tunable, Narrow Linewidth Diode Laser for Precision Spectroscopy. – Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, Technical Digest (Optical Society of America, 2006).
3. Ayotte S., Faucher D., Babin A., Costin F., Latrasse C., Poulin M., Deschenes E. G., Pelletier F., Laliberte M. Silicon photonics-based laser system for high performance fiber sensing. – 24th International Conference on Optical Fibre Sensors, SPIE Proceedings, 2015. v.9634.
4. Завелевич Ф.С., Головин Ю.М., Десятов А.В., Мацицкий Ю.П., Никулин А.Г., Романовский А.С., Горбунов Г.Г., Городецкий А.К., Воронкевич А.В. Фурье-спектрометр для дистанционного зондирования атмосферы Земли. – Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – М.: Институт космических исследований РАН, 2006. т.3 (1). с.224–230.
5. Hansch T.W. Nobel Lecture: Passion for precision. – Rev. Mod. Phys., 2006, v.78 (4), p.1297–1309.
6. Lazarev V.A., Sazonkin S.S., Pniov A.B., Tsapenko K.P., Krylov A.A., Obraztsova E.D. Hybrid mode-locked ultrashort-pulse erbium-doped fiber laser. – Journal of Physics: Conference Series, 2004, v.486 (1).
7. Adams A.R., Asada M., Suematsu Y., Arai S. The Temperature Dependance of the Efficiency and Threshold Current of In1-xGaxAsyP1-y Lasers Related to Intervalence Band Absorption – Japanese Journal of Applied Physics, 1980, v.19 (10), p.L621 –L624.
8. Szymanski M. Mathematical Models of Heat Flow in Edge-Emitting Semiconductor Lasers. – Heat Transfer – Engineering Applications: InTech, 2011, p.3–28.
9. Bartl J., Fira R., Jacko V. Tuning of laser diode. – Measurement Science Review, 2002, v.2 (3), p.9–15.
10. Kondow M., Kitatani T., Nakahara K., Tanaka T. Temperature dependence of lasing wavelength in a GaInNAs laser diode. – IEEE Photonics Technology Letters, 2000, v.12 (7), p.777–779.
11. Ветров А.А., Данилов Д.А., Есипов С.С., Комиссаров С.С., Сергушичев А.Н. Cравнение температурных и электрических методов управления длиной волны излучения полупроводниковых лазеров. – Оптический журнал, 2009, т.76 (8), с.94.
12. Сompact wavelength meters with a large spectral range for high speed measurement of lasers [Электронный ресурс] // URL: http://www.highfinesse.com/en/wavelengthmeter (дата обращения: 20.06.2016).
13. Кошелев К.И. Стабилизация параметров лазерного источника излучения в условиях космоса. – Молодежный научно-технический вестник, 2014, №10.
Отзывы читателей
