Badanie właściwości kwantowych laserów kaskadowych dla

mgr inŜ. Magdalena Gutowska
dr inŜ. Mirosław Nowakowski
dr inŜ. Janusz Mikołajczyk
Instytut Optoelektroniki
Wojskowa Akademia Techniczna
ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa
dr inŜ. Dariusz Szabra
dr inŜ. Jacek Wojtas
prof. dr hab. inŜ. Zbigniew Bielecki
Badanie właściwości
kwantowych laserów kaskadowych
dla systemów łączności optycznej
Słowa kluczowe: łącze optyczne, kwantowy laser kaskadowy, łączność laserowa.
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych kwantowego lasera kaskadowego firmy Alpes
Lasers pod kątem jego zastosowania w systemie łączności optycznej w otwartej przestrzeni. Badania
obejmowały określenie wpływu parametrów impulsu sterującego na impuls laserowy. Przeprowadzono pomiary
charakterystyk moc optyczna - napięcie oraz charakterystyk widmowych dla róŜnych temperatur pracy lasera.
Wyznaczono takŜe rozbieŜność wiązki promieniowania laserowego. Dobór punktu pracy lasera przeprowadzono
pod kątem uzyskania najkorzystniejszego kształtu impulsu promieniowania optycznego, jaki jest wymagany
w łączach FSO.
1.
WPROWADZENIE
Jednym z głównych ograniczeń komercyjnie dostępnych systemów łączności optycznej
w otwartej przestrzeni (ang. Free Space Optics), wykorzystujących promieniowanie
o długości fali 0,8 µm i 1,5 µm, jest ich wraŜliwość na trudne warunki pogodowe. Perspektywicznym etapem rozwoju tych systemów jest opracowanie układów nadajnika i odbiornika
pracujących w zakresie 8-12 µm. Promieniowanie to charakteryzuje się małą absorpcją
spowodowaną przez gazy typowo występujące w atmosferze, oraz mniejszym tłumieniem
wprowadzanym przez mgły o niewielkich cząstkach aerozoli. Przez wiele lat, jedną
z największych barier technologicznych umoŜliwiających opracowanie systemu FSO pracującego w ww. zakresie, był brak odpowiedniego źródła promieniowania. Przykładowo laser
CO2, pracujący w tym zakresie długości fal, nie miał praktycznego uzasadnienia do budowy
prostych i niezawodnych szerokopasmowych łączy umoŜliwiających transmisję danych.
Momentem przełomowym był rok 1971, kiedy Kazarinov i Suris podali ideę pracy
kwantowych laserów kaskadowych (ang. Quantum Cascade Laser − QCL) [1]. W 1994 roku,
J. Faist i F. Capasso podali pierwsze wyniki badań eksperymentalnych laserów QCL [2]. Od
tego czasu nastąpił znaczący postęp w rozwoju tych laserów, pracujących zarówno w zakresie
średniej, jak i dalekiej podczerwieni (3-24 µm) [3]. WaŜne miejsce w rozwoju technologii
tych laserów mają równieŜ polscy naukowcy i technolodzy [4, 5]. Lasery te posiadają
właściwości uŜytkowe (zakres widmowy, moc, masa, pobór energii), które umoŜliwiają
— 372 —
wykorzystanie ich w nadajnikach systemów szerokopasmowej łączności optycznej. Pierwsze
badania w zakresie moŜliwości wykorzystania laserów kaskadowych do budowy FSO
przeprowadzono w laboratoriach Bella [6, 7]. W Instytucie Optoelektroniki WAT prowadzone
są równieŜ prace z zastosowaniem laserów QCL w systemach FSO. Początkowo zastosowano
lasery QCL firmy Cascade Technologies [8-9]. Niestety uzyskana częstotliwość powtarzania
impulsów modulacji była niewystarczająca i ograniczała się jedynie do pracy impulsowej
z małym (< 1%) współczynnikiem wypełnienia ciągu impulsów [10, 11].
Głównym celem prowadzonych badań było zatem przeprowadzenie dokładnej analizy
dostępnych obecnie na rynku laserów kaskadowych, określenie ich przydatności w systemach
przesyłania danych, oraz wyznaczenia optymalnych parametrów pracy nadajnika do
projektowanego łącza.
2.
BADANIA LASERA KASKADOWEGO
Głównymi czynnikami warunkującymi wybór odpowiedniego lasera do zastosowania
w FSO jest zakres widmowy promieniowania, maksymalna moc w impulsie, dopuszczalna
częstotliwość pracy i współczynnik wypełnienia. Obecnie na rynku istnieje kilka rodzajów
laserów kaskadowych duŜej mocy pracujących w trybie impulsowym, ciągłym lub teŜ
ciągłym i impulsowym [12]. Na podstawie analizy danych przedstawionych przez producentów laserów oraz moŜliwości ich zakupu przyjęto, Ŝe najbardziej efektywnym źródłem
promieniowania będzie laser kaskadowy firmy Alpes Lasers, model sbcw3252. Laser ten
umoŜliwia pracę zarówno w trybie impulsowym, jak i ciągłym (o duŜym współczynniku
wypełnienia). Maksymalna moc średnia wynosi 150 mW dla temperatury -30°C. Producent
wraz z laserem dostarczył równieŜ funkcjonalny system sterowania. System ten składa się
z modułu lasera (LLH), modułu sterowania laserem (LDD), modułu zasilania i sterowania
chłodziarką termoelektryczną (TCU). Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy
zastosowanego układu laboratoryjnego słuŜącego do zasilania i sterowania lasera kaskadowego wraz z elementami stanowiska pomiarowego (generatorem, zasilaczami, modułami
detekcyjnymi oraz oscyloskopem). W celu utrzymania odpowiedniej temperatury pracy lasera
zastosowano dwustopniową chłodziarkę termoelektryczną. Chłodziarka ta umoŜliwia
stabilizację temperatury pracy lasera w zakresie od -40ºC do +80ºC. Istnieje równieŜ
moŜliwość chłodzenia przy zastosowaniu wymuszonego obiegu wody. Generator zapewnia
sterowanie lasera impulsami o zadanych parametrach. Do polaryzacji lasera zastosowano
układ bias-T. Dostarcza on do lasera prąd stały o wartości podprogowej (brak generacji
promieniowania), oraz umoŜliwia wprowadzenie sterujących impulsów prądowych do
uzyskania akcji laserowej.
Rys. 1.
Schemat blokowy układu do zasilania i sterowania laserem QCL firmy Alpes Lasers
W pierwszym etapie badań przeprowadzono pomiary kształtu impulsów laserowych
dla róŜnych warunków pracy. Na rysunku 2 przedstawiono wpływ amplitudy napięcia
sterującego na kształt impulsu laserowego. Badania przeprowadzono dla częstotliwości
VI Optoelektronika
— 373 —
powtarzania impulsów wynoszącej 2 MHz, czasu trwania impulsu 50 ns i temperatury
chłodziarki termoelektrycznej 10°C. Dla tej temperatury akcja laserowa rozpoczyna się przy
amplitudzie napięcia sterującego 8,5 V. Wraz ze wzrostem tego napięcia następuje zmiana
kształtów zarejestrowanych impulsów laserowych. Przy napięciu polaryzacji 9,5 V moŜna
zaobserwować dwa impulsy, natomiast przy 11 V pojawia się juŜ impuls quasi-prostokątny.
Dalszy wzrost amplitudy napięcia sterującego praktycznie nie wpływa na kształt impulsu
laserowego. Efekt ten wywołany jest przez dynamiczną zmianę temperatury lasera i jego
właściwości elektryczne (pojemność). Ze względu na krótkie czasy trwania impulsów
w porównaniu ze stałą czasową układu chłodzenia moŜna zaobserwować dynamiczne zmiany
punktu pracy lasera. W skrajnych przypadkach (dla wartości w pobliŜu napięcia progowego)
moŜe nawet dochodzić do wygaszania pewnego fragmentu impulsu (rys. 2b, rys. 2c). Układ
detekcyjny zarejestruje wówczas impulsy o bardzo krótkich czasach trwania.
Wniosek: dla systemów łączności zjawisko to nie jest poŜądane, gdyŜ moŜe powodować
powstanie „błędnych podwójnych bitów”. Jego eliminacja wymaga przeprowadzenia szeregu
dodatkowych badań optymalizacyjnych.
a)
b)
c)
Rys. 2.
d)
Wpływ zmian napięcia sterującego na kształt impulsu optycznego lasera sbcw3252, impuls
z generatora (linia niebieska), impuls laserowy (linia turkusowa), a) UPOL = 7 V, I = 75 mA,
b) UPOL = 8,5 V, I = 101 mA, c) UPOL = 9,5 V, I = 119 mA, d) UPOL = 11 V, I = 164 mA
W kolejnym etapie badań dokonano oceny zaleŜności mocy promieniowania
laserowego od temperatury lasera i współczynnika wypełnienia generowanych impulsów.
W badaniach tych zastosowano miernik mocy firmy STANDA z detektorem krzemowym typu
11XLP12-1S-H2-D0, generator firmy STANFORD Research DG645, zasilacz firmy AGILENT
E3631A oraz zasilacz AGILENT E3612A.
Na rysunku 3 przedstawiono zmierzone charakterystyki średniej mocy optycznej lasera
w funkcji napięcia sterującego dla kilku wartości temperatur i współczynnika wypełnienia.
Z otrzymanych charakterystyk wynika, Ŝe:
— 374 —
− ze wzrostem współczynnika wypełnienia rośnie moc średnia promieniowania. Wzrost ten
staje się zaleŜnością nieliniową wraz ze zwiększaniem się wartości współczynnika
wypełnienia,
− wzrost temperatury lasera powoduje spadek mocy średniej promieniowania,
− wzrost temperatury powoduje zwiększenie wartości napięcia progowego,
− wzrost temperatury wpływa negatywnie na nachylenie charakterystyki moc optyczna-prąd
lasera kaskadowego.
Wniosek: istotnym zagadnieniem przy zastosowaniu laserów kaskadowych jest zapewnienie
odpowiedniego (wydajnego i szybkiego) układu chłodzenia.
a)
b)
c)
Rys. 3.
ZaleŜność mocy średniej lasera sbcw3252od napięcia sterującego, dla trzech wartości temperatur
pracy i współczynnika wypełnienia zmieniającego się w zakresie od 2÷40%
Kolejnym etapem badań było określenie zakresu spektralnego promieniowania
laserowego. Laser ten, zgodnie ze specyfikacją producenta, optymalizowany był na długość
fali 10 µm. Pomiary widma lasera zostały przeprowadzone przy uŜyciu spektrometru iHR30
firmy Horiba. Pomiary zostały wykonane dla częstotliwości repetycji 4 MHz. Wyniki badań
przedstawiono na rys. 4. Jak wynika z przedstawionych charakterystyk, laser emituje
promieniowanie o strukturze wielomodowej. Wynika to bezpośrednio z konstrukcji, gdyŜ
zastosowano w nim rezonator Fabry-Perot. Natomiast zmiana temperatury lasera i wartości
prądu wpływają zasadniczo na połoŜenie oraz kształt emitowanego widma.
Wniosek: Badania wykazały, Ŝe mimo szerokiej charakterystyki spektralnej tego lasera,
zapewnione zostały warunki jego pracy w tzw. trzecim oknie transmisji atmosfery.
VI Optoelektronika
— 375 —
Rys. 4.
Widmo lasera sbcw3252 dla częstotliwości 4 MHz
W łączności laserowej, aby osiągnąć duŜe zasięgi konieczne jest uzyskanie małej
rozbieŜności wiązki. Ze względu na bardzo niekorzystne parametry przestrzenne wiązki
emitowanej bezpośrednio z lasera (rozbieŜność 30°x60°) naleŜało opracować układ
umoŜliwiający regulację parametrów przestrzennych wiązki promieniowania w trzech
płaszczyznach. Składa się on z soczewki germanowej o ogniskowej 30 mm, uchwytu
soczewki, podstawki, stolika z regulacją połoŜenia XYZ oraz płyty montaŜowej (rys. 5).
Rys. 5.
Układ kolimowania wiązki lasera QCL
Na podstawie badań eksperymentalnych określone zostało optymalne połoŜenie soczewki
kolimującej. Dokonano równieŜ pomiaru rozkładu natęŜenia promieniowania w płaszczyźnie
prostopadłej do kierunku wiązki. Pomiary wykonano w odległości 7 m od lasera. Wyniki
pomiarów przedstawiono na rys. 6. Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe rozbieŜność
wiązki badanego lasera wynosi około 2,5 mrad. Osiągnięta rozbieŜność jest nieznacznie
większa od parametrów uzyskiwanych w obecnie dostępnych zintegrowanych głowicach
laserowych (laser+układ kolimujący).
a)
Rys. 6.
b)
Profil wiązki lasera sbcw3252, trójwymiarowy (a) i dwuwymiarowy (b)
— 376 —
3.
PODSUMOWANIE
Przeprowadzono badania eksperymentalne lasera sbcw3252 w celu określenia
optymalnych parametrów jego pracy, biorąc pod uwagę moŜliwość jego zastosowania w łączu
optycznym w otwartej przestrzeni.
Badania obejmowały: wyznaczenie wpływu wartości napięcia sterującego na kształt
impulsu optycznego lasera, pomiary charakterystyk zmian średniej mocy optycznej w funkcji
napięcia polaryzującego, temperatury lasera i współczynnika wypełnienia impulsów,
wyznaczenie charakterystyk widmowych, oraz określenie rozbieŜności wiązki
promieniowania optycznego.
Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe laser sbcw3252 firmy Alpes Lasers moŜe być
z powodzeniem zastosowany w łączu FSO. W celu uzyskania transmisji rzędu 2 Mb/s naleŜy
zapewnić następujące parametry modułu laserowego: napięcie polaryzacji 12 V, temperatura
pracy lasera -20°C, czas trwania impulsu 400 ns.
BIBLIOGRAFIA
[1] R. F. Kazarinov, R. A. Suris, “Possibility of amplication of electromagnetic waves in a semiconductor with
a superlattice”, Soviet Physics Semiconductors-Ussr 5, p.707, 1971.
[2] J. Faist, C. Gmachl, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. Y. Cho, “Quantum cascade
laser”, Science 264, pp. 553-556, 1994.
[3] J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, S. N. G. Chu, A. Y. Cho,
“High power mid-infrared (λ~5µm) quantum cascade lasers operating above room temperature”, Appl.
Phys. Lett. 68, pp. 3680-3682, 1996.
[4] Pabjańczyk, R. Sarzała, M. Wasiak, M. Bugajski, „Kwantowe lasery kaskadowe - podstawy fizyczne”,
Elektronika, nr 5, s. 30-43, 2009.
[5] M. Bugajski, K. Kisiel, A. Szerling, J. Kubacka-Traczyk, I. Sankowska, P. Karbownik, A. Trajnerowicz,
E. Pruszyńska-Karbownik, K. Pierściński, D. Pierścińska, „GaAs/AlGaAs (~9.4µm) quantum cascade lasers
operating at 260 K”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, vol. 58, No 4, pp.
471-476, 2010.
[6] F. Capasso, R. Paiella, R. Martini, R. Colombelli, C. Gmachl, T. L. Mayers, M. S. Taubman, R. M.
Williams, C. G. Bethea, K. Unterrainer, H. Y. Hwang, D. L. Sicvo, A. Y. Cho, A. M. Sergent, H. C. Liu, E.
A. Whittaker, “Quantum cascade lasers; Ultrahigh-speed operation, optical wireless communication, narrow
line-width, and far-infrared emission“, IEEE J. Quantum Electron. QE 38(6), pp. 511-532, 2002.
[7] R. Martini, “Quantum cascade laser based free space optical communications”, Proc. 5th QCL Workshop,
Freiburg, Germany, 2004.
[8] Z. Bielecki, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, J. Wojtas, „MoŜliwości wykorzystania lasera w systemie
łączności optycznej w otwartej przestrzeni”, Proc. of Electrotechnical Institute, pp. 135-145. zeszyt 234,
2008.
[9] Z. Bielecki, W. Kołosowski, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, “Free-space Optical Data Link Using
Quantum Cascade Laser”, PIERS, 2-6 July 2008 Cambridge, USA. Conference Proceedings, pp. 95-98.
www.emacademy.org
[10] J. Mikołajczyk, Z. Bielecki, M. Nowakowski, J. Wojtas, “Second generation FSO for communication
systems”, 6-8 May. Sensor+Test 2008 Proceedings, Nurnberg, Germany, pp. 313-316, 2008.
[11] Z. Bielecki, W. Kołosowski, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, E. Sędek, J. Wojtas, “Free-space optical
communications using quantum cascade laser”, XVIII International Conference on Microwaves, Radar and
Wireless Communications, 19-21 May, Wrocław, Poland. Conference Proceedings, Vol. 2, pp. 295-298,
2008.
[12] www.alpeslasers.com
VI Optoelektronika
— 377 —