Modos Longitudinais

A condição de fase na Eq. (3.1.8) mostra que a frequência do laser ν deve

casar com uma das frequências no conjunto νm, sendo m um inteiro. Essas frequências correspondem aos modos longitudinais e são determinadas pelo comprimento óptico nL. O espaçamento ∆νL entre os modos longitudinais é constante. Na verdade, é o mesmo que a faixa espectral livre (free spectral

range) associada a qualquer ressoador FP, fornecido por ∆νL = c/2ngL, quando a dispersão material é incluída [2], sendo ng o índice de grupo. Tipicamente, ∆νL = 150 GHz, para L = 250 µm.

n¯ n¯ R1R2

A0 exp(gL)R1R2 exp(−aintL) exp

(2ibL)=A0. g=aint+12Lln 1R1R2 =aint+amir=acav, 2bL=2mπ or ν=νm=mc /2n¯L, n¯L

Um laser de semicondutor, em geral, emite luz em vários modos lon- gitudinais. Como visto na Figura 3.5, o espectro de ganho g(w) de lasers

de semicondutor é suficientemente largo (largura de banda ∼10 THz) para que muitos modos longitudinais da cavidade FP experimentem ga- nho simultaneamente. O modo mais próximo do ganho de pico se torna o modo dominante. Em condições ideais, os outros modos não devem alcançar o limiar, pois seus ganhos permanecem abaixo do ganho do modo principal. Na prática, a diferença é extremamente pequena (∼0,1 cm–1_{), e}

um ou dois modos vizinhos de cada lado do modo principal transportam uma significativa parcela da potência do laser, juntamente com o modo principal. Como, devido à dispersão de velocidade de grupo, os modos se propagam no interior da fibra em velocidades ligeiramente diferentes, a natureza multimodo de um laser de semicondutor, em geral, limita a taxa de bits de sistemas de ondas luminosas que operam próximos de 1,55 mm. O desempenho pode ser melhorado projetando os lasers para que oscilem em um único modo longitudinal. Discute-se esse tipo de laser na Seção 3.2.

3.1.6 Estruturas de Lasers

A mais simples estrutura de um laser de semicondutor consiste em uma delgada camada ativa (com espessura de 0,1 mm ou menos) posicionada entre camadas de casca dos tipos p e n de outro semicondutor com maior banda proibida. Esses lasers são chamados de lasers de grande área, pois a corrente é injetada em uma área relativamente grande que cobre toda a largura do

chip do laser (Fig. 3.3). A luz do laser é emitida pelas duas facetas clivadas na forma de um feixe elíptico, com dimensões de ∼1 × 100 mm2_{. Na}

direção transversal, perpendicular ao plano da junção, o tamanho do feixe é ∼1 mm, pois a região ativa suporta somente os modos fundamentais TE0 e

TM0. Na prática, o ganho é ligeiramente maior para o modo TE0, e a luz do

laser é polarizada no plano da junção. Como não existe um mecanismo de

Figura 3.5 (a) Representação esquemática dos perfis de ganho e de perda em lasers

confinamento na direção lateral (paralela ao plano da junção), a luz emitida se espalha por toda a largura de um laser de grande área, resultando em um feixe muito elíptico. Tais lasers exibem várias deficiências e raramente são usados na prática. As principais deficiências são uma corrente de limiar relativamente alta e um diagrama espacial que se altera de modo não con- trolável com a corrente, porém esses problemas podem ser solucionados com a introdução de um mecanismo para confinamento da luz na direção lateral. O problema de confinamento da luz é resolvido nos lasers de semicondutor

com guiamento por índice pela introdução de um degrau de índice ∆nL na direção lateral, com a formação de um guia de onda retangular. A Figura 3.6 mostra duas configurações comumente empregadas. Em um laser de guia de onda ridge (Fig. 3.6a), uma crista (ridge) é formada com a remoção da maior parte da

camada de casca superior [2]. Deposita-se, então uma camada de sílica para bloquear o fluxo de corrente, de modo que a corrente passe somente através da crista. Como o material da casca usado para a crista possui índice de refração muito maior do que a sílica, o índice modal também é mais alto sob a crista, resultando em um degrau de índice ∆nL ∼0,01. Essa diferença de índice guia o modo óptico na direção lateral. A magnitude do degrau de índice é sensível a muitos detalhes de fabricação, como a largura da crista (ridge) e a proximidade da camada de sílica em relação à camada ativa. Embora esse esquema ofereça apenas fraco confinamento lateral, a relativa simplicidade da configuração em guia de onda ridge e o resultante baixo custo o tornam atraente para algumas aplicações.

Em lasers de semicondutor com forte guiamento por índice, a região ativa é enterrada em todos os lados por várias camadas com índice de refração mais baixo (dimensões típicas ∼0,1 × 1 mm2_{). Lasers desse tipo são conhecidos}

como lasers de heteroestrutura enterrada (BH – Buried Heterostructure) (Fig. 3.6 b). Diferentes tipos de lasers BH foram desenvolvidos, sendo conhecidos por

Figura 3.6 Representação esquemática da seção reta de (a) laser de guia de onda ridge

nomes como laser BH com mesa corroída (etched-mesa BH laser), laser BH planar, laser BH planar de duplo canal e laser BH de substrato canelado ou com sulco em V, dependendo do método de fabricação usado para realizar a estrutura do laser [2]. Todos permitem degrau de índice relativamente grande (∆nL > 0,1) na direção lateral e, em consequência, forte confinamento modal. Devido a um grande degrau de índice embutido, a distribuição espacial da luz emitida é inerentemente estável, desde que o laser seja projetado para suportar um único modo espacial. Na prática, lasers BH operam em um único modo se a largura da região ativa for reduzida para menos de 2 mm. A seção reta do feixe ainda permanecerá elíptica, com dimensões típicas de 2 × 1 mm2_{. Em}

função das pequenas dimensões da seção reta, o feixe de saída, ao deixar o laser, se difrata consideravelmente nas dimensões lateral e transversal. Uma seção reta elíptica e grande ângulo de divergência dificultam o acoplamento da luz à fibra de modo eficiente. Um conversor de seção reta (spot-size converter) é, às vezes, usado para melhorar a eficiência de acoplamento.