Конструкции светодиодов для оптической связи

В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный и торцевой.

В поверхностном СИД (рисунок 3.3) волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке.

Такой способ стыковки СИД и ОВ обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в стекловолокно.

Рисунок 3.3 – Конструкция поверхностного СИД

Знак «+», находящийся рядом с типом проводимости указывает на область с более высокой концентрацией примеси, т.е. с более высокой проводимостью.

Недостатком поверхностного светодиода является то, что фотоны, рождающиеся в его активном слое, разлетаются во все стороны от активного слоя. Лишь малая часть фотонов (около 2 ) достигают оптического волокна. Поэтому поверхностные светодиоды не используют в качестве источников излучения в приёмопередатчиках ВОСП.

 

Рисунок 3.4 – Конструкция торцевого СИД (СЛД)

В конструкции торцевого светодиода (рисунок 3.4) предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В этом СИД применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, которые отличаются от активного слоя показателем преломления и шириной запрещённой зоны. Это создаёт в активном слое оптический волновод, способствующий увеличению мощности излучения и его концентрации в пространстве. В этом СИД, как и большинстве лазеров, имеются гетеропереходы. Гетеропереходами называются переходы между различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещённой зоны. Из рисунка 3.4 видно, что показатель преломления активного слоя n₁ чуть меньше показателей преломления прилегающих к нему пассивных слоёв n_2, благодаря чему внутри СИД создаётся структура, аналогичная оптическому волокну. Эта структура не даёт фотонам вылетать в пассивные слои СИД, что приводит к уменьшению потерь света и более мощному и направленному излучению. Светоизлучающий торец СИД согласуется с ОВ линзовой системой.

Соединения Ga_1-хAl_хAs получаются путём замещения в кристалле арсенида галлия GaAs части атомов галлия алюминием. Чем больше молярная доля вещества (х), тем шире запрещённая зона.

Излучение СИД является спонтанным, это значит, что атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направлениях, с различной поляризацией и с различной энергией, то есть излучение происходит беспорядочно. Работа лазеров основана на другом виде излучения, открытом Эйнштейном, и называемом стимулированным. При стимулированном излученииподавляющее большинство фотонов излучается в одном направлении, с одинаковой энергией и в одно время, т.е. излучение является когерентным. Благодаря некоторым выше перечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нём может происходить образование небольшого числа стимулированных фотонов. По этой причине торцевые СИД называют слабокогерентными источниками света – суперлюминесцентными диодами (СЛД).

 

Основные характеристики СИД

1) Ватт-амперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через СИД.

Характеристика имеет линейный и нелинейный участки, Нелинейность обусловлена предельными возможностями СИД по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесями и общего объёма активного слоя. Из рисунка 3.5 видно, что при одном и том же токе накачки мощность излучения поверхностного светодиода в два с лишним раза меньше, чем мощность излучения торцевого светодиода.

Рисунок 3.5 – Ваттамперная характеристика СИД и СЛД

 

2) Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения.

 

Рисунок 3.6 – Спектральная характеристика СИД и СЛД

 

При спонтанном излучении электроны переходят с любого уровня в зоне проводимости на любой уровень в валентной зоне.

Поэтому спектр излучения оказывается размытым, это следует из формулы: По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД ∆λ1 (около 10-30 нм), для поверхностного СИД ∆λ2 (около 30-60 нм). Более узкий спектр излучения СЛД объясняется наличием кроме спонтанного излучения небольшого числа стимулированных фотонов.