Характеристики и параметры источников излучения.

Ват- и вольт-амперные характеристики. Основной характеристикой ДВ является ВтАХ - зависимость мощности излучения от силы тока прямого смещения (тока накачки) - Р(I_н). Обычно одновременно с ВтАХ измеряются и ВАХ - зависимость падения напряжения на переходе ДВ от тока накачки - U(Iн).

1. ВтАХ-СД P(I_н) светоизлучающего диода приведена на рис.4.11. Аналитическое выражение ВтАХ выглядит

P = h_exthn(h_qI_н / q), (4.2)

где h_ext - КПД вывода излучения с прибора;

hn -энергия фотона с частотой n;

h_q - квантовая эффективность люминисценции (отношение числа возбужденных носителей, дают вклад в излучение, до полного числа носителей, участвующих в рекомбинации)

I_н / q - число носителей заряда, инжектируются в активную область в единицу времени;

I_н - ток накачки;

q - заряд электрона.

Как видно из формулы (4.2), зависимость между мощностью излучения и током накачки в СД является линейной (при постоянном КПД q). Это основное преимущество СД. В реальных приборах при больших токах накачки (см. Рис. 4.11) имеет место нелинейность («загиб») ВтАХ. Это объясняется тем, что при росте тока инжекции увеличивается доля безызлучательной рекомбинации. Она особенно заметна для светодиодов с InGaAs. Причинами нелинейности является рекомбинация зарядов на границе раздела гетеропереходов и утечка (просачивание) инжектированных зарядов через гетеропереход. Однако, большая часть ВтАХ в светодиодов достаточно линейная и их используют в аналоговых системах передачи. Основные параметры СД, вытекающие из ВтАХ, это I_макс и P_макс - максимальные ток накачки и мощность излучения, соответственно.

 

Рисунок 4.11 - ВтАХ светоизлучающего диода П-СД типа

2. ВтАХ лазерного диода - Р_н(I_н) приведена на рис. 4.12.

Эта характеристика является существенно нелинейной вследствие излома вблизи порогового тока накачки I_п. При токах накачки I_н < I_п имеет место спонтанное излучение (светодиодный режим), а при I_н > I_п источник излучения переходит в лазерный режим работы с его известными преимуществами.

Рисунок 4.12 – ВтАХ лазерного диода

В этой области существует крутая зависимость мощности излучения от тока накачки. Одновременно появляется зависимость порогового тока и мощности излучения от температуры лазерного кристалла. Это негативное последствие лазерного режима работы. Поэтому, в передающих устройствах ВОСП с ЛД обязательно присутствуют цепи температурной и временной стабилизации мощности излучения. Итак, основные параметры ВтАХ ЛД - это пороговый I_п, максимальный I_макс токи накачки и максимальная мощность излучения Р_макс.

3. ВАХ СД и ЛД - U U(Iн) измеряется для определения диапазона изменения напряжения на переходе ДВ в рабочем интервале токов накачки. Из этой характеристики находится необходимый для проектирования усилителя параметр - динамическое сопротивление rдин = DUн / DIн в рабочем режиме. Значение U(Iн) позволяет рассчитать полный КПД ДВ hп = UIн / Ропт.

Приемник излучения.

Фотоэффект

Существует две разновидности фотоэффекта. При первом электроны высвобождаются с поверхности металла при поглощении энергии потока фотонов. Это явление называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Такие приемники излучения, как вакуумный фотодиод (ФД) и фотоэлектрический умножитель (ФЭУ), основанные на этом эффекте. Вторая группа приемников излучения-полупроводниковые приборы на основе р-n-перехода, в которых при поглощении фотонов генерируются свободные носители заряда - электроны и дырки. Этот механизм называют внутренним фотоэлектрическим эффектом. На этом явлении основаны такие приборы, как р-n-ФД, р-и-n-ФД и лавинный ФД (ЛФД).

Полупроводниковые фотодиоды

Фотодиод служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Как оптоэлектронный преобразователь, фотодиод имеет оптический вход (управляющий цепь) и электрический выход (сигнальный цепь), параметры которых должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией с одной стороны и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой преобразователь электрических сигналов, - усилитель, модулятор; декодер - с другой стороны.

В зависимости от типа и режима детектирования фотодиод может работать в фотовольтаичному режиме, когда ФД является генератором фотонапругы и в фотодиодном режиме. Схемы включения фотодиодов в фотовольтаичному и фотодиодном режимах приведены на рис. 5.1.

Режим работы ФД с обратной смещением называется фотодиодного. По сравнению с фотовольтаичним фотодиодный режим обеспечивает высокое быстродействие, лучшую стабильность, большой динамический диапазон, хорошую температурную стабильность, более широкий диапазон спектральной чувствительности. Именно этот режим используется в ВОЛС.

.

а) б)

Рисунок 5.1 - Режимы детектирования:

а) фотовольтаичний, б) фотодиодный

 

Главный недостаток - наличие темнового тока, возникает даже без излучения под действием обратной смещения.

Процесс генерации фототока и детектирования сигнала можно проиллюстрировать с помощью рис. 5.2 эквивалентной схемы фотодиода, представленной на рис. 5.3, где i_p - среднеквадратичное ток сигнала (видеоизображений) - ток дробового шума, C_j - емкость перехода, R_j - сопротивление перехода, R_s - последовательное сопротивление, R_L - внешнее сопротивление нагрузки, - ток теплового шума, R_i - входное сопротивление усилителя.

Рисунок 5.2 - Процесс генерации фототока и детектированиясигнала

Рисунок 5.3 - Эквивалентная схема фотодиода

К ФД в ВОСП выдвигаются следующие требования:

- Эффективность оптоэлектронной преобразования - обеспечение максимальной мощности электрического сигнала на выходе при минимальной оптической мощности на входе;

- Быстродействие, необходимое для приема оптического сигнала, промоделирована широкополосным информационным сообщением;

- Минимум собственных шумов - требуется для обеспечения высокой чувствительности (минимальной мощности излучения, которую можно обнаружить);

- Широкий динамический диапазон оптических сигналов, принимаемых;

- Малые габариты, высокая надежность и стабильность параметров, низкое напряжение питания, низкая цена.

Наиболее полно этим требованиям отвечают полупроводниковые фотодиоды, работающих на основе явления фотоэффекта.

 

13) Фотодиод p-n типа.

 

Рассмотрим три разновидности таких приборов: р-n ФД, р-и-n ФД и лавинный ФД. При подаче обратного смещения (рис. 5.6, а) потенциальный барьер между р и n- областями увеличивается (рис. 5.6, б). Свободные электроны (преобладающие в n-области) и свободные дыры (доминирующие в р-области) не могут преодолеть потенциальный барьер, поэтому ток через переход не течет. Переходом (р-п) называется область, где существует потенциальный барьер. Поскольку в области перехода отсутствуют любые свободные заряды, ее называют бедной (электрическими зарядами) области. Отсутствие свободных носителей заряда приводит к тому, что сопротивление этой области большой, поэтому почти все напряжение внешнего смещения приложенная к обедненной области диода. Итак, напряженность электрического поля в обедненной области высокая и имела вне ее.

На рис. 5.6, в показано, как сигнальный фотон поглощается в р-п-переходе после прохождения через р-слой. Поглощенная энергия позволяет перевести связан электрон с валентной зоны через запрещенную в зону проводимости. Электрон теперь свободен и способен двигаться. Свободная дырка остается в валентной зоне как вакансия электрона. Следовательно, при поглощении фотона создается пара свободных носителей заряда (электрон и дырка). Электрон переместится в нижнюю часть барьера, а дырка (чья потенциальная энергия противоположная энергии электрона) переместится в верхнюю часть барьера. Это перемещение зарядов вызывает протекание тока через внешний круг. Если свободные дыры и электроны рекомбинируют, или если они достигают края перехода, где электрическое поле мало, носители заряда прекращают движение и фототок становится нулевым.

 

Рисунок 5.6 - Фотодиод p-n-типа:

а) схема включения; б) полупроводниковая структура; в) зонная диаграмма

Что произойдет, когда фотон будет поглощен в р или n-областях по обе стороны от перехода? Здесь также возникает пара электрон-дырка, но эти свободные заряды будут двигаться медленно из-за слабого электрическое поле, существующее вне перехода. Большинство свободных носителей заряда будет медленно двигаться в результате диффузии через диод и прорекомбинуе, не достигнув перехода. Эти носители заряда делают незначительный вклад в фототок, тем самым снижая отзыв фотодиода. Ясно, что это явление делает pn-фотодиод малоэффективным.

Носители заряда, созданные вблизи обедненной области, можугь (вследствие диффузии) приблизиться к ней и достичь перехода благодаря большому электрическому полю, существует в нем. Во внешнем круге потечет ток, но он будет опаздывать относительно оптической мощности, поступающей. Предположим, что нужно измерить время нарастания тока р-n-фотодиода, подав на его вход "ступеньку" оптической мощности.

Некоторые из фотонов в начале "ступеньки" поглощаются в самом переходе и вызывают почти немедленное протекания фототока. Однако, те фотоны начала "ступеньки", поглощаемые вблизи перехода, вызовут протекания тока с некоторым опозданием. Постепенное увеличение тока, которое достигает максимума за время τн, происходит через определенный срок после того, как закончится перепад входной мощности. Время нарастания большой.

Типичные р-n-фотодиоды имеют время нарастания тока около нескольких микросекунд, что делает их непригодными для скоростных волоконных систем. Фотодиод р-in-типа решает проблему низкой чувствительности и медленного отклика.

Интересно сопоставить полупроводниковые приборы, используемые в качестве источников и приемников света. Для излучения света на диод подают прямое смещение и носители заряда, инжектированных в область перехода, рекомбинируют. Это приводит к образованию фотонов. Когда происходит прием света, все происходит наоборот. На диод подают обратное смещение и фотоны, поступающие генерируют пары электрон-дырка. Это приводит к электрическому току. Можно разработать специальный р-n-прибор, который будет использоваться и как источник, и как приемник излучения.