3. Источники излучения

В волоконно-оптических системах связи применяются источники излучения двух видов: светоизлучающие полупроводниковые диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) –лазеры. Как в СИД так и в ЛД генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование и излучениеэнергии в виде фотонов.

СИД и ЛД изготавливаются из полупроводниковых материалов на основе соединений А_III В _V (арсениды и фосфиды галлия, индия и алюминия). В СИД получается спонтанное, а в ЛД вынужденное излучение при рекомбинации электронов и дырок, инжектируемых в область p-n-перехода. Путём изменения тока инжекции можно менять интенсивность света на выходе прибора, т.е. простыми средствами осуществлять оптическую модуляцию (прямая модуляция), что является одним из достоинств использования СИД и ЛД в ВОЛС.

Длина волны света, излучаемого СИД и ЛД, определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. Для GaAs λ  900нм. В твердых растворах GaAlAs c ростом концентрации алюминия ширина запрещенной зоны увеличивается и ,соответственно, увеличивается частота света а длина волны ( λ) - уменьшается и можно получить λ = 780нм.

Для получения более длинноволного ИК излучения (света) с λ  1,3мкм используют полупроводниковые соединения InP, GaInAsP.

В СИД часто применяется структура с гомо р-n-переходами, что упрощает конструкцию и снижает стоимость, в ЛД обычно используется двойная гетероструктура, что снижает пороговые токи генерации и облегчает тепловой режим диода.

3.1 Светоизлучающий диод

Обозначение и I-V характеристики СИД различных по спектру/цвету излучения, рис.3.а.

Рис. 3а. Обозначение и I-V характеристики СИД

В СИД излучение выводится наружу обычно в направлении, перпендикулярном плоскости электронно-дырочного перехода (рисунок 3б).

В подложке прибора вытравлено углубление, куда вставляется оптическое волокно, для того, чтобы уменьшить толщину поглощающего слоя полупроводника, через который должно пройти генерируемое в активном слое излучение. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно в углубление может быть помещена сферическая микролинза (рис. 3б). Применяются также СИД с выводом излучения параллельно поверхности p-n перехода через боковую грань прибора. Это уменьшает размеры сечения пучка и повышает эффективность ввода света в волокно. Следует отметить, что СИД не очень чувствительны к перегрузкам, обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции (рис. 4).

Спектр излучения СИД представляет собой гладкую кривую (рис. 5); ширина спектра относительно велика (50–100нм), типичный ток инжекции 100–200мА, выходная мощность 1–5мВт.

СИД имеют круговую диаграмму направленности излучения (рис.5в).

	Рис. 4. Зависимость выходной мощности от тока инжекции для СИД двух типов
	в) Рис. 5. Спектры и диаграмма направленности излучения СИД.

3.2. Лазерные диоды.

В СИД протяженность области, в которой происходит излучательная рекомбинация, относительно большая (десятки тысяч кубических микрометров). В ЛД активная зона во много раз меньше: поперечное сечение 0,5–2мкм² при протяженности 300–500мкм. Поэтому концентрация инжектированных носителей велика, что обеспечивает возможность возникновения стимулированного излучения.

Лазерные диоды позволяют получить излучение более высокого качества и обеспечить лучшую эффективность ввода его в световод.

3.3 Двойные гетеропереходы

Двойная гетероструктура с р-n-переходом является базовой для полупроводниковых источников света. Энергетические уровни P-n-N двойной гетероструктуры показаны на (рис. 6), Такая гетероструктура получаетс в одном цикле при ее выращивании.

Отличительной особенностью двойного гетероперехода является не только односторонняя инжекция электронов, но и односторонняя инжекция дырок, обусловленные потенциальными барьерами ΔЕ_п и ΔЕ_в , возникающими из-за скачка потенциалов на границах разделов. Поэтому при приложении к двойной гетероструктуре прямого смещения, т. е. при пропускании через него тока – электроны и дырки проникаютв активную область 1 из прилегающих пассивных областей 2 и 3. В области 1, вследствие локализации носителей, устанавливается более высокая и однородная их концентрация и более высокая скорость рекомбинации, сопровождающаяся излучением света.

а – энергетическая диаграмма; б – распределение показателя преломления n по слоям структуры

Рис. 6 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при прямом смещении.

	1 – металлизированный слой 2 – GaAs р+-типа 3 – AlGaAs P-типа 4 – GaAs р-типа(активный слой) 5 – AlGaAs N-типа 6 – подложка GaAs n+-типа 7 – конус распространения излучения 8 – оптическое волокно
Рис. 7 – Типичная структура ЛД

Типичная структура ЛД показана на рис. 7. Активная зона GaAs р-типа заключена между двумя горизонтально расположенными слоями AlGaAs, показатель преломления для которых ниже, чем для GaAs. То есть активная зона приобретает свойства ступенчатого световода, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями, получающимися при сколе кристалла (оптический резонатор). Чтобы в активной области обеспечить высокую концентрацию носителей, заштрихованные на рис. 7 участки объёма делают слабо проводящими с помощью бомбардировки их протонами.

При токе инжекции, превышающем пороговый I_п, вдоль активного слоя возникает генерация стимулированного излучения. До этого тока существует только слабое спонтанное излучение – большая часть его поглощается в толще ЛД, так как оно не носит направленный характер. Поэтому типичная зависимость выходного излучения в ЛД от тока, в отличие от СИД, носит пороговый характер (рис. 8). Пороговый ток обычно составляет 50–150мА.

Расходимость выходного излучения в ЛД значительно меньше, чем в СИД, но по сравнению с другими типами лазеров она сравнительно велика. Сечение пучка получается эллиптическим с максимальной расходимостью в направлении, перпендикулярном к p-n-переходу в 30–60⁰, а вдоль перехода – 20–40⁰.

В обычном ЛД генерируется одновременно несколько мод (рисунок 9): 10–20 на λ = 0,85мкм и 5–6 мод на λ = 1,3мкм. Спектральная ширина каждой моды примерно 0,2нм (80ТГц) при общей ширине полосы 1,2ГГц.

Рис. 9 – Спектры излучения многомодовых лазерных диодов

Однако, используя специальные конструкции ЛД с селективными и со связанными отражателями (рис. 10), можно выделить одну моду, обеспечив таким образом одночастотный монохроматический режим работы лазера.

1 – решетка; 2 – активная область; 3 – внешний световод; 4 – оптический вывод; 5 – активный слой; 6 – скрытый слой; 7 – световодный слой; 8 – резонатор 1; 9 – резонатор 2

Рис. 10 – Типы одномодовых лазеров

Селективное отражение определенной длины волны можно достигнуть в конструкции (рис. 10, а), где по обеим сторонам активной области формируют гофрированный слой с избирательным коэффициентом отражения в зависимости от длины волны (λ). Это лазер с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ-лазер), либо гофр может быть нанесен на саму активную область (рис. 10, б) – распределенная обратная связь (РОС-лазер). В конструкции, показанной на рисунке 10, в, соединены два лазерных резонатора различной длины (С³-лазер). Здесь генерация возникает только на той длине волны, которая образует собственную моду и для одного и для другого резонатора. Одномодовые лазеры обеспечивают наибольшую пропускную способность ВОЛС.

4. ФОТОПРИЁМНИКИ

4.1.ФОТОРЕЗИСТОРЫ

В фоторезисторах используется эффект фотопроводимости. Фоторезисторы выполняются в самых различных конструктивных вариантах, различного назначения, по различным технологиям и с различными параметрами, но в общем виде это - чувствительный к излучению слой полупроводника, прикреплённый к изоляционной подложке, по краям которого смонтированы токоведущие электроды. Принципиально возможно две конструкции фоторезисторов: поперечная и продольная.

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 11), во втором - в одной плоскости. В продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод прозрачный для светового излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков - сотен мегагерц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную электрическую ёмкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах сотни - тысячи герц.

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Рис.1 1. Фоторезистор (а), поперечная конструкция фоторезистора (б); условное графическое обозначение (в)

4.2. ФОТОДИОДЫ

Наиболее широко в оптических линиях связи в качестве фотодетекторов применяются полупроводниковые фотодиоды (ФД) . Их разновидности: p-i-n- и лавинные фотодиоды.

Принцип действия ФД основан на внутреннем фотоэффекте (фотогальванический эффект). Электроны и дырки, образовавшиеся при поглощении света, под действием градиента потенциала в p-n-переходе (рис.12), разделяются, собираясь в n- и p-областях.

В обычном ФД большинство носителей создаются именно в n- и p-областях, и они за счёт сравнительно медленной диффузии перемещаются к области перехода. Это занимает значительное время и часть неосновных носителей при этом рекомбинирует, что снижает быстродействие и квантовый выход фотодиодов. Носители, созданные в области перехода, разделяются намного быстрее, поскольку здесь существует сильное электрическое поле и разделение зарядов происходит за счёт электрического дрейфа. Для улучшения разделения зарядов и повышения быстродействия к фотодиоду целесообразно прикладывать обратное напряжение, при этом величина разделяющего поля в переходе возрастает. В диоде, на который подано обратное напряжение, всегда между областями с n- и p-проводимостью имеется так называемая i-область (intrinsic – собственный). В этой области n- и p-примеси как бы компенсируют друг друга, т.е. здесь полупроводник обладает только собственной проводимостью, которая намного меньше примесной проводимости. Поэтому здесь в основном и падает приложенное извне напряжение, действует сильное электрическое поле. Величина подаваемого обратного смещения обычно несколько десятков вольт.

Быстродействие фотодиода зависит от толщины i-слоя, времени дрейфа носителей через i-область, а также собственной ёмкости p-n-перехода. Для увеличения быстродействия i-область намеренно делают более широкой, так, чтобы большинство фотонов поглощалось именно в этой области. Такие фотодиоды называются p-i-n-фотодиодами. В них ширина i-области достигает 2–3,5мкм (рис. 13, а). В результате уменьшается ёмкость перехода, повышается чувствительность фотодиода, скорость разделения носителей. Все это существенно увеличивает быстродействие ФД. Квантовый выход также возрастает, так как разделение зарядов успевает произойти до того как случиться рекомбинация. Для лучших типов p-i-n-фотодиодов квантовая эффективность составляет 60–70%, а чувствительность 0,6А/Вт.

Кремниевый

InGaAs

Рис.13. а) Кремниевый pin ФД, б) Pin ФД на полупроводниковом соеденении InGaAs/

Если требуется еще более высокая чувствительность регистрации фотосигналов, то в этом случае применяют лавинные фотодиоды (ЛФД), в которых используется принцип лавинного размножения зарядов путём ударной ионизации, когда электрон, образовавшийся при поглощении фотона, разгоняется под действием сильного электрического поля, отщепляет от атома новый электрон, создавая еще одну электрон-дырочную пару и т.д.

О бласть спектральной чувствительности зависит от типа полупроводника, используемого в фотодиодах. Характеристики спектральной чувствительности наиболее распространённых полупроводников представлены на рис. 14.

Рис. 14 – Спектральная чувствительность фотоприемников

Расчет КПД фотодиода и мощности.

КПД вычисляется по формуле: , где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде. Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 15 и таблица 4.1.

Рис. 15. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока.

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 4.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт	Сила тока, мА	Напряжение, В	КПД, %
1	0,0464	0,24	1,1
3	0,1449	0,41	2
5	0,248	0,26	1,3
7	0,242	0,45	1,6

_______________________________________________________________________________