Светоизлучающие диоды - СИД.

 

Конструкции СИД, используемых в оптических системах передачи, весьма разнообразны и выбираются с таким расчетом, чтобы получить наименьшее собственное поглощение излучения, обеспечить режим работы светодиодов при высокой плотности тока инжекции и повысить эффективность ввода излучения в волокно.

Рисунок. 3.7 - Светоизлучающие диоды

б)

а)

По способу ввода излучения СИД подразделяются на диоды с поверхностным излучением, рис. 3.7, а и на диоды с торцевым (или боковым) излучением, рис.3.7. б.

 

 

Рисунок 3.8 - Структура СИД: а - с поверхностным излучением; б - с торцевым излучение

а)

б)

InGAAsP InGaAsP

б)

В поверхностных СИД (рис. 3.8, а) излучение выводится в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя, а в торцевых (рис. 3.8, б) из активного слоя - в параллельной ему плоскости. Торцевые СИД имеют активную область в виде полоски. Из-за того, что слои выше и ниже полоски имеют различные показатели преломления, свет локализуется благодаря волноводному эффекту и поскольку поглощение в излучающей р – области очень велико, вывод света ведется через n – область.

 

 

Структура СИД с поверхностным излучением приведена на рис. 3.8, а, где приняты следующие обозначения: 1 - оптическое волокно (ОВ) и направление излучения; 2 - п – омический контакт; 3 - эпоксидная смола, необходимая для подсоединения ОВ); 4 - подложка на п -GaAs; 5 - пассивные слои; 6 - активный слой п -GaAs (излучение); 7 - эпитаксильный слой; 8 - изолятор SiO₂; 9 - р - омический контакт; 10 - теплоотвод. Такую конструкцию СИД называют диодом Барраса.

Структура СИД торцевого типа на основе ДГС и многокомпонентных материалов показана на рис. 3.8, б, где использованы такие обозначения: 1 - омический п -контакт; 2 - подложка п -InP cлой; 3 - р -InGaAsP cлой; 4 - активный слой п -InGaAsP (область излучения); 5 - направление излучения; 6 - слой р- InP; 7 - слой р- InGaAsP; 8 - изоляция Al₂O₃; 9 - р -омический п -контакт; 10 - радиатор. Назначение элементов структуры СИД обоих типов очевидно и особых пояснений не требуется.

В СИД торцевого типа вывод излучения из активного слоя осуществляется с торца, при этом излучение проходит через активный слой и сопровождается значительным поглощением и эффективность такого СИД ниже поверхностного. Для повышения эффективности торцевых СИД применяется следующее: рядом с активным слоем формируется световодный слой с малыми внутренними потерями, а активный слой, при этом, делается тонким, порядка 0,03…0,1 мкм. Кроме того, на торец наносится просветляющее покрытие. Так как площадь светового излучения небольшая, размером несколько квадратных микрометров, то и оптический выход не может быть высоким. Однако по сравнению с СИД с поверхностным излучением яркость оказывается в 5…10 раз большей. Оценить мощность оптического излучения СИД можно следующим образом. Если ток инжекции обозначить через I, то мощность оптического излучения СИД W_о выражается в виде

, (3.7)

где h_внш – внешняя квантовая эффективность СИД, hf – энергия фотона, I/e – число носителей, инжектированных в активный слой в единицу времени, е – заряд электрона. Отметим, что внешняя квантовая эффективность СИД с поверхностными излучателями составляет 0,03, а СИД с торцевыми - 0,005…0,01.

Повышение эффективности ввода излучения в волокно может быть обеспечено применением полированной полусферы или созданием углубления в кристалле для приближения торца волокна к активной области. У светодиодов торцевого типа вывод спонтанного излучения происходит через внутренний волновод, обусловленный ДГС. Кроме того, для повышения эффективности ввода излучения используют микролинзы (рис. 3.9) кратностью увеличения М = d_в / d_и , формируемые непосредственно на поверхности прибора или вне его.

+ _

Окно

Муфта соединителя

Линза

Металлический соединитель

Волокно

Крепление линзы

СИД

 

Эффективность связи возрастает пропорционально квадрату кратности увеличения линзы и квадрату числовой апертуры оптического волокна и, следовательно, в волокно с большей апертурой можно ввести гораздо большую мощность оптического излучения. Поэтому в ВОСП с использованием СИД применяются ОВ с большой числовой апертурой.

СИД торцевого типа

Затухание при непосредственной связи СИД с ОВ

Aвв, дБ

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

10

15

20

5

NA

СИД с поверхностным излучением

Зависимости потерь при вводе излучения в волокно А_вв для СИД поверхностного и торцевого типов приведены на рис. 3.10.

 

Dl = 0,04 мкм

0,5 Р макс

Р макс

Р

l , мкм

0,85

Dl = 0,09 мкм

0,5 Р макс

Р макс

Р

l , мкм

1,31

Рисунок 3.11 - Спектральное распределение излучения СИД

а)

б)

Спектральное распределение излучения СИД с поверхностным излучением для длины волны l = 0,85 мкм и торцевого типа для l = 1,3 мкм показано на рис. 3.11, а, б соответственно. Как правило, линия излучения СИД с поверхностным излучением имеют примерно гауссовскую форму шириной до Dl = 0,04 мкм (Df = 12 TГц) для l = 0,85 мкм (f = 352 TГц), а для СИД торцевого типа Dl = 0,09 мкм (Df = 25 TГц) для l = 1,31 мкм (f = 230 TГц),

 

 

VT

Источник оптического излучения на основе СИД

Ватт-амперная характеристика СИД

Р , мВт

0

0 100 200 300 400

4

6

8

2

Лазерный резонатор

СИД

s(t) – электрический сигнал

l – оптическое излучение

R э

R б 1

U пит + -

R б 2

Полупроводниковые СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность ватт-амперной характеристики, т. е. зависимость мощности излучения Р от тока инжекции I_и, рис. 3.12 (1 - поверхностного типа и 2 - торцевого типа).

 

 

Мощность излучения СИД поверхностного типа изменяется от нескольких до 100 мВт при токе инжекции 100…200 мА; в СИД торцевого типа излучаемая мощность при тех же токах инжекции мощность излучения в два-три раза меньше по сравнению с СИД поверхностного типа. Характерной особенностью характеристики Р = f (I_и) является ее практическая линейность, что позволяет применять сигналы аналоговых систем передачи для модуляции оптического излучения.

Одна из возможных схем источника оптического излучения на основе СИД, включенного в коллекторную цепь транзистора VT, представлена на рис. 3.13. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет его коллекторным током, являющимся током инжекции светодиода. С помощью резисторов R_{б 1} и R_{б 2} устанавливается режим работы транзистора и значение начального тока СИД. Реальные схемы ИОИ содержат схемы стабилизации режима работы и контроля параметров опти- ческого излучения и др.

Сравнительно простая конструкция СИД, их высокая надежность (наработка на отказ 10⁶ час с возможностью увеличения до 10⁹ час), достаточно слабая зависимость параметров и характеристик от температуры делает их оптимальными для ВОСП местных и первичных сетей.