Ilgi tyrimų metai nenuėjo veltui. Šiemet komercinės brandos sulaukė net kelių naujų tipų puslaidininkiniai lazeriai: perderinamieji diodai, diodai, šviečiantys tikrą mėlyną spalvą ir ilgabangiai vertikalaus rezonatoriaus paviršiuje spinduliuojantys lazeriai. Visų jų rinkos potencialas yra milžiniškas.

   Kada 1999 m. kompanija Nichia Industries iš Anano miesto Japonijoje paskelbė sukūrusi mėlynąjį GaN lazerinį diodą, tas faktas patraukė specialistų ir nespecialistų dėmesį labiau negu bet kuris padarytas išradimas. Nors lūkesčiai buvo didžiuliai, mėlynojo lazerio atėjimas į rinką gerokai vėluoja dėl vis dar besitęsiančio dviejų pagrindinių konkurentų Nichia ir Cree Inc bylinėjimosi.

Mūšis dėl mėlynosios spalvos

   Nepaisant to, praėjusiaisiais metais ir Nichia, ir Cree pranešė apie savo sukurtus technologinius patobulinimus. Nichia planuoja jau šių metų pradžioje pradėti gaminti vieną skersinę modą spinduliuojantį 30 mW lazerį, kurio bangos ilgis bus 408 nm. Ji pranešė, jog eksperimentiškai stebėjo 2 mW galios 369 nm bangos ilgio spinduliuotę kitame lazeriniame darinyje. Savo ruožtu Cree tvirtina, jog jos gaminamų 3 mW 405 nm lazerių veikimo trukmė ilgesnė kaip 1000 valandų.

   Aišku, šiems prietaisams dar labai toli iki milijonus valandų veikiančių lazerinių diodų, kurie naudojami CD-ROM kaupikliuose. Kol raudonieji lazeriniai diodai buvo sukurti tokio patikimumo lygio, kelios didžiausios pasaulyje korporacijos ilgai darbavosi kartu. Jos matydamos, kokias dideles potencines galimybes tai gali atnešti, bendradarbiavo, o ne tarpusavyje varžėsi. Panašios galimybės šiandien yra prognozuojamos ir mėlyniesiems lazeriams.

   Atminties diskuose įrašytų duomenų tankis yra atvirkščiai proporcingas optinės plunksnos bangos ilgio kvadratui. Kitos kartos DVD diskuose naudojant mėlynuosius lazerinius diodus ir kitus patobulinimus, viename dvipusiame diske bus galima įrašyti 15 gigabaitų - 20 kartų daugiau nei dabartiniame CD-ROM. Rinkos analitikų kompanija Strategies Unlimited sako, kad vien optinės atminties įrenginių rinkai per artimiausius penkerius metus prireiks mėlynai spinduliuojančių lazerinių diodų daugiau kaip už 2 mlrd. dolerių.

    Apskritai paėmus, patikimumo problema yra labai panaši į tą, kuri buvo ir su ankstyvaisiais lazeriniais diodais - reikia kažkaip įveikti lydinių, kurių sluoksniai sudaro prietaiso darinį, kristalinių gardelių konstantų nesutapimą. Gardelių nesutapimas sukuria daugybę įvairių defektų, dėl kurių rekombinuojantys elektronai ir skylės sukuria ne šviesą, o šilumą, todėl prietaisai pasidaro netinkami naudoti.

Ar pakankamai tvirtas?

   GaN medžiagos lazeriams sėkmę didžia dalimi sąlygoja jos kietumas, kuris neleidžia defektams nukeliauti toliau nuo jų atsiradimo vietos, kas atsitinka ne tokiose tvirtose medžiagose. Patys nitriduose atsirandantys defektai sukuria nespindulinės rekombinacijos centrus rečiau nei kituose puslaidininkiuose. Tačiau GaN gardelė netinka prie jokio tradicinio padėklo, todėl paprastai šioje medžiagoje defektų būna labai daug.

   Nichia remiasi Shuji Nakamuros patobulintomis metal-organinio cheminių dujų nusodinimo (MOCVD - Metal Organic Chemical Vapor Deposition) technologijomis, leidusiomis išspręsti GaN legiravimo p-tipo priemaišomis problemą, o patį GaN auginti ant safyro padėklų. Kompanijos Cree technologijoje yra naudojami silicio karbido (SiC) padėklai, kurie pasižymi didesniu šilumos laidumu. Ir SiC, ir safyras nėra tradiciniams integrinių grandynų gamybos procesams tinkamos medžiagos, todėl prietaisų gamybos technologija yra gana komplikuota. Dėl šios ir keleto kitų priežasčių Nichia lygiagrečiai eksperimentuoja bandydama įvairius kitus padėklus GaN auginimui.

   Dabar Nichia ir Cree daugiausiai žiūri viena į kitą, todėl nelabai mato, kad ateityje jas gali ištikti netikėtumai iš pašalies. Taivanio pramonės technologijų tyrimo institutas iš Hsin Chu miesto neseniai pranešė, kad patys sėkmingai sukūrė specialiai DVD taikymams tinkantį GaN lazerinį diodą.

Tikra mėlynė

   Visų šių lazerių spinduliuotė artimesnė ultravioletinei nei mėlynai spalvai, todėl nelabai pritaikomi, kai reikalinga tikra mėlyna spalva Iš tokių taikymų galėtume, pavyzdžiui, paminėti miniatiūrinius spalvinius displėjus. Bet ties 400 nm akies jautris tesudaro 0,3 % jos didžiausio jautrio ties 555 nm, todėl šios rūšies taikymams lazerio spinduliuojamą bangos ilgį privalu pailginti.

   Švaraus GaN draustinių energijų juostos tarpas atitinka 350 nm bangos ilgį, todėl šis tarpas yra mažinamas pridedant indžio. Nuo tam tikro taško indis nebeilgina spinduliuojamos bangos ilgio, kadangi jis sukelia nepriimtinai didelius šviesos nuostolius, o ir prietaisai pasidaro labai nepatikimi. Dėl iki šiol neaiškių priežasčių indis palieka lydinį ir sukrenta į lašus, labai netolygiai pasiskirstydamas sluoksnyje. Pažanga šioje srityje yra, bet jai pasiekti tenka labai kruopščiai kontroliuoti visus technologinius procesus.

   Praėjusiais metais Nichia pasiūlė 440 nm lazerius po 3000 dolerių, maitinamus 55 mA srove. Jų veikimo trukmė - apie 500 valandų. Nichia irgi pranešė, kad laboratorijoje išbandė 465 nm lazerinius diodus ir sieksianti ilgainiui sukurti 510 nm bangos ilgį spinduliuojančius prietaisus. Tokie pranešimai liudija, kad kompanija ilgai buvusi didele slapuke pradeda keisti savo politiką. Šiemet Nichia pirmąkart dalyvavo ir didžiulėje parodoje "Photonics West", kuri vyko San Chose mieste, Kalifornijoje.

Trumpi, platūs ir simpatiški

   Kitoje spektro pusėje veikiančių vertikalaus rezonatoriaus paviršiuje spinduliuojančių lazerių (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser) irgi stengiamasi pasiekti didesnius bangos ilgius. Šiuo metu VCSEL gerai veikia ties 850 nm. Jis ir yra pagrindinis lazeris trumpo nuotolio optinio ryšio tinklams. Galima nebrangiai pagaminti dideles iš pavienių elementų sudarytas matricas; kiekvieno lazerio pluoštelis yra gražiai apskritimiškas, o tai palengvina spinduliuotei patekti į optinę skaidulą. Vertikali šių lazerių geometrija reiškia, kad jų rezonatoriai yra labai trumpi, dinaminis atsakas spartus, o slenkstinės srovės mažos.

   VCSEL pranašumai būtų geriausiai išnaudojami, jeigu juos pavyktų pritaikyti didelio nuotolio, bangos ilgiu sutankintuose (WDM - Wavelength Division Multiplexing) optinio ryšio tinkluose. Norint, tai padaryti, reikia, kad jie generuotų bangos ilgių, artimų 1330 nm ir 1550 nm, srityse, kur optinės skaidulos iš amorfinio kvarco turi mažiausią dispersiją ir mažiausius nuostolius. Tokią užduotį išspręsti iki šiol nelabai pavyko, nes toms spektro sritims naudojamos medžiagos prastai tinka gaminti Braggo reflektoriams, kurie VCSEL lazeriuose yra rezonatoriaus veidrodžiai.

   Trumpi VCSEL rezonatoriai sukuria nedidelį optinį stiprinimą, todėl Braggo veidrodžiai turi pasižymėti mažais nuostoliais ir dideliu atspindžio koeficientu. Be to, jų turi būti geras šilumos (nes būtent per veidrodžius rezonatorių palieka ten susikaupusi terminė energija) ir elektros laidumas (krūvininkai patenka į aktyviąją sritį kirsdami veidrodžius). Galiausiai labai svarbu tinkamai suderinti Braggo gardelėje naudojamų medžiagų gardelės konstantų dydį su padėklo ir su aktyviosios srities gardelės konstantomis.

Sukabinimas

   850 nm bangos ilgį spinduliuojantys VCSEL lazeriai yra gaminami iš galio arsenido (GaAs) lydinių, o pakankamai geros kokybės Braggo reflektoriai gaunami pakaitomis auginant GaAs ir aliuminio galio arsenido (AlGaAs) sluoksnius. Tačiau komerciniai ilgabangiai lazeriniai diodai gaminami ne iš GaAs, o iš indžio fosfido (InP) ir į jį panašių medžiagų. Iš šių medžiagų pagaminti Braggo reflektoriai yra prastos kokybės.

   Maždaug prieš 10 metų Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje mokslininkai sukūrė technologiją, leidusią kokybiškus Braggo reflektorius iš GaAs/AlGaAs mechaniškai sukabinti su ilgabangei spinduliuotei tinkančiais puslaidininkiniais junginiais. Gaminant dideles prietaisų serijas šis būdas gal ir nelabai praktiškas, bet jis leidžia geriau ištirti optiniu būdu kaupinamus VCSEL diodus. Praėjusiais metais net kelios kompanijos pranešė, kad 2002 m pradėsiančios pardavinėti ir elektriškai kaupinamus ilgabangius VCSEL lazerius.

   Pavyzdžiui, Cielo Communications iš Kolorado valstijos reklamuoja 1310 nm VCSEL, kurie buvo pagaminti iš Sandia nacionalinės laboratorijos nusipirktus naujos technologijos licenciją. Aktyvusis sluoksnis pagamintas iš InGaAsN - medžiagos, kurios gardelės konstanta suderinta su GaAs padėklais ir su GaAs pagrindu užaugintais Braggo reflektoriais. Cielo Communicationsduomenimis, netrūki vienmodė lazerio spinduliuotės galia yra 1 mW, lazerio slenkstinė srovė - mažesnė negu 3 mA, o lazeris veikia net ir jo temperatūrai esant 125 ^oC.

Atsarginis variantas

   Bangos ilgius sutankinant kiekvienam fiksuoto bangos ilgio kanalui reikalingas atskiras lazeris. Tipiškame ilgo nuotolio tinkle gali būti iki 80 kanalų, perdengiančių spektro diapazoną nuo 1535 nm iki 1565 nm (C-juosta) ir vienas nuo kito atskirtų 100 GHz pločio intervalais. Todėl šį tinklą prižiūrintis operatorius kiekvienam šiam bangos ilgiui turi turėti atsargai po lazerį, kurį būtų galima greitai instaliuoti sugedus kuriam nors iš tinkle dirbančių prietaisų. Toks atsarginių dalių sandėliavimas ateityje, kai pasirodys kitos kartos optinio ryšio tinklai, turėtų būti dar didesnio masto.

   Visi šie nepatogumai, susiję su brangių atsarginių dalių kaupimu, savaime išnyktų, jeigu šviesos šaltinius būtų galima perderinti. Visa optinio ryšio tinklo dalis iki abonentų namų naudosis 1330 nm bangos ilgių diapazonu. Šio diapazono perderinamieji lazeriai galėtų padėti sutaupyti daug lėšų. Tai labai praverstų, nes pirmoji tokių tinklų instaliavimo patirtis aiškiai parodė, kad jų kaina vis dar viršija priimtinas ribas. Pasak kai kurių vertinimų, per keletą metų visi netrūkios generacijos lazeriai turėtų būti pakeisti perderinamaisiais, todėl tokių prietaisų pardavimų apimtys gali siekti kelis milijardus dolerių.

   Tokiam lazeriui keliami techniniai reikalavimai yra gana komplikuoti. Jis turi stabiliai generuoti pasirinkto bangos ilgio spinduliuotę netgi ir tuomet, kai jo išvesties galia yra moduliuojama tiesiogiai (to reikia kai kuriems taikymams). Be to, jo linijos plotis turi būti gana mažas, nes lazeris neturi spinduliuoti tų bangos ilgių signalo, kurie yra nepasirinkti. Pats perderinimo mechanizmas turi būti paprastas ir aprėpti pakankamai didelį spektro ruožą (tik tuomet šis prietaisas galės atstoti didesnį skaičių atskirus bangos ilgius spinduliuojančių lazerių). Visa tai duotų garantiją, sudėtingesnio prietaiso pasirinkimo apsimokėjimo. Elektronika, korpusas ir šviesos pluoštelis turi atitikti sistemos, kurioje lazeris dirba, parametrus. Galiausiai, perderinamieji lazeriai privalo atitikti tuos pačius reiklius "Telecordia" standartus, kurie yra taikomi ir vienmodžiams lazeriniams diodams.

   Metams bėgant kuriant perderinamuosius lazerinius diodus vyravo kelios skirtingos koncepcijos. Pastaruoju metu ima vyrauti įvairius paskirstojo Braggo reflektorius (DBR - Distributed Bragg Reflector) turintys lazeriai, kurie išpopuliarėjo todėl, kad šie reflektoriai pradedami naudoti vis daugiau įvairių optinio ryšio tinklų prietaisų.

Naujos WDM sistemų galimybės

   Sugebėjimas bematant kaitalioti bangos ilgį atveria kitas reikšmingas perderinamųjų lazerių panaudojimo galimybes - dinaminį jau instaliuotų optinio ryšio tinklų perkonfigūravimą. Vadinamuosiuose "Metro" tinkluose, kai mazguose yra apdorojami dideli informacijos srautai, nuotoliniai valdomi lazeriniai šaltiniai labai supaprastintų sudėtingą signalų maršrutizavimo klausimą ir palengvintų sąsajų su labai įvairuojančiomis vietinėmis tinklo konfigūracijomis sudarymą (žr. 3 pav.). WDM sistemoms ateityje plečiantis, instaliuotieji perderinamieji lazeriai leistų nesunkiai įjungti naujų bangos ilgių kanalus.

   Firmos Blue Sky iš Kalifornijos sukurta "programuojamojo lazerio" konstrukcija leidžia prietaisui perdengti visą C-juostą, o bangos ilgio perjungimo trukmės yra mažesnės už milisekundę. Blue Sky teigia, kad jos prietaisas duoda išvestyje ne mažiau už 20 mW, lazerio linijos plotis mažesnis nei 500 kHz, o šoninės juostos galia yra mažesnė už 35 dB. Išvesties dažnis nustatomas pasitelkus grįžtamąjį ryšį, užtikrinamą miniatiūrinio etalono. Kompanija planavo pradėti šiuos lazerius pardavinėti 2002 m. pirmajame ketvirtyje.

    Kai VCSEL technologijai pavyks įsisavinti ir WDM sistemoms tinkamus bangos ilgius, panašiai prireiks perderinamųjų šaltinių. Kompanijos Bandwidth9 pasiūlyta technologija leidžia kiekvieno VCSEL matricos rezonansinį bangos ilgį keisti naudojant mikroelektromechaninę sistemą. Praeitais metais Bandwidth9 pasiūlė rinkai savąjį perderinamąjį OC-48 lygmens siųstuvą "MetroFlex", tinkantį C ir L juostos kanalams, tarp kurių yra 100 GHz nuotolis.

   Entuziastiška reakcija į Interneto atsiradimą sukėlė ne tik pernelyg didelę akcijų kainą rinkoje; tikintis milžiniškos Interneto pažangos žemėn buvo užkasta galybė optinių skaidulų. Instaliuota buvo daugiau skaidulų, nei jų šiandien reikia ir nei būtų galima panaudoti naudojant šiandienines tinklų technologijas. Mastant apie šių užkastųjų resursų panaudojimą, ateityje perderinamieji lazeriai būtų didelis žingsnis priekin.