[ Список тем] страницы темы: [1] [2] [3]

Источники оптического излучения.
Источники излучения. Принцип работы СИД, основные характеристики.

Применяемые в волоконно-оптических системах передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) служат для преобразования электрических сигналов в оптические, ПОМ различаются по конструкции и типу источника излучения. Источник излучения (ИИ) должен удовлетворять следующим требованиям:
- длина волны излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности волокна (850, 1300, 1550 нм);
- ИИ должен выдерживать необходимую частоту модуляции;
- должен быть эффективным, т.е. большая часть излучения источника должна попадать в волокно с минимальными потерями;
- должен иметь достаточно большую мощность, чтобы обеспечить передачу сигнала на большие расстояния, но и не настолько, чтобы излучение не могло повредить волокно или оптический приемник;
- габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальны;
- стоимость производства ИИ должна быть относительно невысокой.

Таким требованиям отвечают два основных типа ИИ: светоизлучающий диод СИД (LED), в нем излучение спонтанное и некогерентное; полупроводниковый лазерный диод ЛД (LD), в нем излучение стимулированное и когерентное.

Когерентность – это одно из важнейших свойств оптического излучения. Излучение будет когерентным, если элементарные волны общего потока имеют строго одинаковую длину волны, начальную фазу, поляризацию и направление распространения.

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис.1а. Носители заряда, электроны и дырки, проникают в активный слой (гетеропереход) и с прилегающих пассивных слоев (р- и n- слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Еg (эВ) законом сохранения энергии = 1,24/ Еg, рис. 1б.

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs (арсенид галия) и InP (фосфит индия). Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку, табл. 1.

Длину волны излучения 0 определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения 0,5 – как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Рис.1 Двойная гетероструктура

а – гетеро-структура;
б – энергетическая диаграмма при прямом смещении;
1 – активный слой;
2 – ограничивающие (пассивные) слои

Конструкция светодиодов, применяемых в ВОСП, весьма разнообразны и их выбирают с таким расчетом, чтобы уменьшить собственное самопоглощение излучения, обеспечить режим работы при высокой плотности тока инжекции (накачки) и увеличить эффективность ввода излучения в волокно.

В настоящее время получили распространение две основные модификации СИД: поверхностные и торцевые.

В поверхностных СИД излучение выводится в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя, а в торцевых из активного слоя – в параллельной ему поверхности. Вывод излучения в СИД поверхностного типа на арсениде галлия осуществляют через круглое отверстие, вытравленное в подложке. В это отверстие вставляют оптическое волокно и закрепляют его с помощью эпоксидной смолы.

В торцевых СИД с двойной гетеро-структурой вывод излучения активного слоя осуществляется с торца, как и в лазерных диодах. Благодаря полному внутреннему отражению генерируемое оптическое излучение распространяется вдоль перехода и до вывода наружу проходит через активный слой, поэтому в СИД имеет место самопоглощение излучения в этом слое. Для уменьшения самопоглощения активный слой выполняют очень тонким (0,03…0,1 мкм). В результате излучение распространяется главным образом в ограничивающем слое, который благодаря большей ширине запрещенной зоны имеет небольшие потери на поглощение.

Рис.2 Конструкция СИД