Светоизлучающие диоды. Структура сид, конструкции сид. Характеристики сид.

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

Принцип работы СИД основан на физических процессах, происходящих в p-n- переходе при рекомбинации носителей. Обычно в эмиттерной области концентрация основных носителей n _n значительно больше концентрации основных носителей в базе p _p. Область базы выполняется протяжённой и имеет свободный выход светового потока Ф. При прямом включении через переход проходят основные носители n _n и p _p. При этом электроны, проходящие в базу, рекомбинируют с дырками, т.е. переходят из зоны проводимости в валентную зону, при этом излучается квант энергии.

В поверхностном светодиоде волоконныйсветовод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконнымсветоводом линзовой системой.

Основные характеристики. Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор. Благодаря особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).

Рисунок 3.3. Ваттамперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться.

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

Рисунок 3.4. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Dl₁ (около 10 ¸ 30 нм), для поверхностного СИД Dl₂(около 30 ¸ 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.

Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 3.5)

Рисунок 3.5. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Р_МАКС /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины j _x» j _y и могут составлять 110°...180°. Для СЛД величины j _x и j _y не равны и примерно составляют: j _x» 60 °, j _y» 30. Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

 

10.

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.
Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.

4.3.3 Устройство ЛД

Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-n-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся, хотя и незначительно, строением кристал-лической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счёт применения ДГС появляется возможность:

· увеличения эффективности инжекции;

· увеличения внутренней квантовой эффективности;

· уменьшения потерь излучения на поглощение в материале ЛД.

На рисунке 4.11 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P. Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль узкозонного слоя d.

Рисунок 4.11 – Структура поперечного сечения полоскового лазера типа N-p-P

Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.
Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:

· излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом;

· лучше теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника;

· уменьшается рабочий ток лазера.

4.3.4 Характеристики ЛД

К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

· мощность излучения;

· диаграмма направленности излучения;

· длина волны излучения моды;

· спектральная ширина;

· поляризация излучения;

· быстродействие;

· срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД

При малых токах накачки (I_Н < I_П) лазер работает подобно СИД: происходит спонтанная излучательная рекомбинация и излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. При превышении порогового значения тока (I_Н > I_П) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.
Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.
Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 10­20мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.
Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рисунке 4.13,а.

а–диаграмма направленности; б–конус излучения; в–зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Рисунок 4.13 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения ЛД

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4.13,б). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20^o в плоскости, параллельной переходу, и более 40^o в перпендикулярной плоскости. На рисунке 4.13,в показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения ЛД считается длина волны λ₀, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рисунке 4.14 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД.

Рисунок 4.14 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД

У многомодовых ЛД ширина каждой отдельной линии δλ =1–3нм, интервал между ними составляет 2–5нм. У одномодовых ЛД ширина спектральной линии, состоящая из одной продольной моды δλ =0,1–0,4нм
Главная отличительная черта спектра ЛД – линейчатая структура и значительно более узкий спектр по сравнению с СИД.
Поляризация излучения. Лазерный диод обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать частично поляризованными – ориентация векторов электромагнит-ного поля определена топологической схемой ЛД, в отличие от СИД, где излучение не обладает поляризацией, т.е. векторы электромагнитного поля ориентированы случайным образом.
Быстродействие. Скорость включения и выключения источника света должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника, как указывалось выше, определяется временем нарастания и спада импульса сигнала. Лазеры имеют время нарастания τ_нар <1нс, в то время как τ_нар у СИД – несколько наносекунд. Максимальная частота модуляции &f;_max, по которой оценивается быстродействие источников излучения, у ЛД достигает нескольких гигагерц, что значительно больше чем у СИД.
Срок службы. Сначала лазерные диоды обладали значительно меньшей надёжностью, чем СИД, так как они требовали бóльших токов накачки. Затем удалось значительно повысить надёжность ЛД и приблизить их к СИД по времени наработки на отказ, которое составляет 50 тыс. часов и более (до 8 лет).

11.

4.3.2 Принцип действия ЛД

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.
Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населённостей ещё не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.
Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического генератора.
Положительная обратная связь. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Упрощённая физическая модель лазера

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.
Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.
Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки I_Н создаёт инверсную населённость уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населённость электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки I_Н некоторого порогового значения I_П (I_Н > I_П).
Источник тока накачки I_Н создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.
Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн λ_k:

где L – длина пути, по которому распространяется излучение;
k – целое число.

Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько "почти" монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k. Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.
Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл–воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).
Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

Классификация ЛД

1. Твердотельные

2. Полупроводниковые

3. Жидкостные (на красителях)

4. Эксимерные (Eximer – excited dimer)

5. Лазеры на парах металлов

6. Лазеры на свободных электронах

 

12.

Передающие оптические модули (ПОМ), применяемые в ВОС, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в ОВ с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на невысоких ТФ скоростях на линиях с максимальной длиной до нескольких метров, другие передают сотни и тысячи Мбит/с на расстояния до нескольких десятков км.

ПОМ – это совокупность источника излучения оптических и электрических устройств. Компоненты ПОМ крепятся на специальном держателе и заключены в корпус. Кроме этого используются специальные устройства, которые являются выходной частью модуля и используются для подключения различного вида соединителей. Состав ПОМ: источник излучения, узел электрического интерфейса, цепь тока накачки, система контроля температуры, узел выходного контроля оптического сигнала.

ктрический интерфейс обеспечивает подключение цепей информационного сигнала электропитания к схеме ПОМ. Электрический преобразователь управляет величиной тока накачки. Источник излучает мощность, пропорциональную величине тока накачки. Температурный мониторинг следит за температурой источника излучения: при увеличении температуры происходит охлаждение источника. Излучаемый световой сигнал поступает на фотодетектор, который контролирует мощность излучения. При уменьшении мощности излучения контроль оптического сигнала именит величину тока накачки. Излучаемый световой поток через модулятор и переменный аттенюатор вводится в оптическое волокно через оптический интерфейс. Модулятор позволяет изменять параметры оптического сигнала. Аттенюатор –для регулировки выходной мощности.

Требования к ПОМ:

1. диапазон рабочих температур;

2. пиковое значение длины волны излучения;

3. ширина спектральной полосы;

4. время нарастания импульса;

5. срок службы;

6. напряжение цепи питания;

7. пространственное распределение мощности излучения на выходе.