Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энерге­тических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света раз­личных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различ­ных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны со­ответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотноселективной пленки на зеркало.

В таблице приведены наиболее известные газовые лазеры. Необходимо подчерк­нуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которому вначале придава­ли большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой передачи сообщений оказалась простота возможности моду­ляции света, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.

Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижи­мая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому пред­ставляет собой малый интерес для техники связи.

3.4 Полупроводниковый лазер, предназначенный для микроэлектроники

Кроме названных существенными недостатками газового лазера являются его раз­меры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие на­пряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью га­зоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в совре­менной системе связи, тем более, если учесть прогрессирующее развитие полупроводни­ковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лам­пы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за ред­ким исключением исчезли и представляют только исторический интерес. Полупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на несколько порядков) мощностей.

К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света, который также построен на принципах полупроводниковой техники и изготовляется по такой же или аналогичной технологии, — полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров спо­собом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электри­ческой. К одному из р-n переходов, известных из полупроводниковой техники, прикла­дывается напряжение в направлении проводимости. Оно вызывает ток и путем наруше­ния равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) — желаемую инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник нака­чан, он запас энергию.

Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного состоя­ния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше прикладываемое напряжение, чем больше ток через р-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этом со­стоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучающий диод.

Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе при на­личии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом так назы­ваемом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.

В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере объем резонатора много меньше: р-n переход, в области которого образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину несколько десятков микрометров. Крепление зер­кал при таких габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высо­кий коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают аналогично отра­жателям оптического резонатора.

Глава четвертая

УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ

4.1 Фантастические возможности

Когда к началу б0-х годов появились первые пригодные к эксплуатации лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве — когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едва или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте 3-1014 Гц. Если приняты лишь 1% этого значе­ния в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное колеба­ние, то получим значение 3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной тысяч­ной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне необходимо будет пере­давать информацию очень большого объема. Число телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные и промыш­ленные отношения между странами и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективных проектов включили воз­можность использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным сиг­налом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в канале передачи информации.