14. Основные параметры и характеристики полупроводниковых источников излучения.

Спектральная характеристика – зависимость спектральной плотности излучения от длины волны. Основные параметры - центральная (средняя) длина волны _о, ширина (по уровню 0.5)  и форма характеристики.

Средняя длина волны излучателя определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материала и определяется как

,

где длина волны  в мкм, ширина запрещенной зоны Е_з эВ.

Рис.6.3. Спектральные характеристики ЛД.

Ватт-амперная характеристика – зависимость выходной оптической мощности от тока накачки .

Рис. 6.4. Ватт-амперные характеристики

лазерного диода

Крутизна характеристики в лазерном режиме называется дифференциальной квантовой эффективностью _лд = dP/dI

Типичными уровнями мощности излучения лазеров ВОСП являются величины 1...10 мВт.

Частотные свойства источников излучения. Если электрический сигнал на входе СИД изменяется с частотой , оптическая выходная мощность определится как

где Р₀ – постоянная оптическая мощность ( = 0).

У быстродействующих ЛД ширина частотной модуляционной характеристики может составлять 10…40 ГГц.

Рис.6.5 Модуляционная характеристика ЛД

Пространственные характеристики излучателей и эффективность ввода излучения в оптические волокна.. Эффективность соединения определяется как

,

где Р_ов, Р_и – мощность оптического излучения в ОВ и на выходе излучателя, соответственно.

Рассмотрим геометрию соединения излучателя с ОВ, когда их площадки соприкасаются друг с другом, т.е. «встык» (рис.6.6).

Рис.6.6 Схема соединения излучателя с оптическим волокном

При любой диаграмме направленности источника излучения только часть его мощности попадает внутрь приемного конуса волокна и распространяется в ОВ. Мощность излучения, поступающая в ОВ, может быть определена с помощью соотношения

В настоящее время эффективность ввода излучения СИД в многомодовые волокна не превышает 10..20%, а при использовании ЛД достигает 60-80% даже в одномодовое волокно.

15. Структурная схема передающего оптоэлектронного модуля.

В состав быстродействующих ПОМ как правило входит оптический изолятор. При выходе из резонатора лазерное излучение может попасть на поверхность, которая частично отражает свет обратно в резонатор лазер. Эта поверхность может быть элементом стыковки лазера с волокном или элементом оптического разъема.

Влияние обратного света на характеристики лазера заметно уже при попадании в лазер 0,003% излученного света, а при попадании 5% - обратное оптическое излучение приводит к генерации импульсного типа. Вследствие попадания отраженного сигнала в лазер могут происходить следующие изменения характеристик:

изменение формы ватт-амперной характеристики, величины порогового тока,

изменение спектра колебаний (сдвиг резонансной длины, изменение числа генерируемых продольных мод).

Для устранения влияния обратного света на излучение лазера и используется оптический изолятор, принцип действия которого основан на невзаимном повороте плоскости поляризации в результате эффекта Фарадея. Основной элемент изолятора - это стержень из ферромагнитного материала, например, железо-иттриевого граната (ЖИГ). Стержень находится в магнитном поле с напряженностью H₀, которое при прохождении оптического излучения вызывает поворот его плоскости поляризации на 45^о. Поворот всегда происходит против часовой стрелки, если смотреть навстречу вектору H₀. В результате прямого и вызванного оптическими неоднородностями обратного прохождения оптической волны через стержень её плоскость поляризации оказывается повернутой на 90^о. Для подавления этого излучения между лазером и магнитным стержнем необходимо поставить поляризатор. Изолятор обеспечивает развязку 30 ... 40 дБ, потери - около 1 дБ.

16. P-i-n и лавинные фотодиоды, параметры и характеристики.

В p-i-n фотодиодах носители зарядов образуются в области с высокой напряженностью электрического поля. При этом заряд перемещается преимущественно благодаря быстрому дрейфу, а не медленной диффузии. Это достигается при включении между p- и n-областями дополнительного слоя с собственной проводимостью (i –проводимостью).

В p-i-n фотодиоде поглощенный в обедненной области фотон с некоторой вероятностью генерирует одну электронно-дырочную пару, т.е. при фотопреобразовании нет усиления. Однако при увеличении обратного напряжения смещения на p-n-переходе поле в обедненной области может увеличиться до такой величины, при которой носители (электроны или дырки), ускоряющиеся в обедненной области, могут приобрести кинетическую энергию, достаточную, чтобы при столкновении с нейтральными атомами вызвать переход новых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс развивается лавинообразно, количество носителей заряда, а значит и фототок, значительно увеличивается (рис.7.1б). Фотодиоды, использующие этот эффект, называются лавинными фотодиодами (ЛФД).

Токовая монохроматическая чувствительность S. Этот параметр определяется как отношение выходного тока ФД I к мощности излучения Р на его входе

.

Здесь  - квантовая эффективность фотодиода, e – заряд электрона, h – постоянная Планка. Указанное соотношение справедливо как для лавинного, так и для p-i-n-фотодиодов; для последних M = 1. У p-i-n фотодиодов S достигает значений 0.7…0.9 А/Вт, а у лавинных фотодиодов 20…80 А/Вт.

Спектральная характеристика. Физические процессы, протекающие в ФД, носят обратный характер по отношению к процессам, происходящим в полупроводниковых излучателях. Под воздействием фотона с достаточно большой энергией (с длиной волны  меньше критической _кр) электрон переходит в зону проводимости, в результате чего образуется пара свободных носителей, которые, перемещаясь в противоположные стороны, образуют фототок. Критическая длина волны _кр [мкм] связана с шириной запрещенной зоны E_з[эВ] соотношением

_кр = 1,24/ E_з .

Быстродействие. Этот параметр определяется временем нарастания фронта импульса . Это время, в течение которого ток на выходе ФД изменяется от 10 до 90% от установившегося значения при оптическом воздействии в форме прямоугольного импульса. С этим параметром связана полоса пропускания, т.е. тот частотный диапазон модуляции оптических сигналов, который может эффективно воспринимать ФД. По уровню  3 дБ полоса пропускания определяется как

Темновой ток. Это ток, протекающий через ФД, на который подано обратное напряжение, при отсутствии оптического излучения.