2.1. Источники излучения

К источникам оптического излучения предъявляются следующие основные требования:

 длина волны излучения источника должна совпадать с одним из минимумов спектрального распределения потерь волоконного световода ("окном прозрачности");

 конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокий уровень мощности выходного излучения и эффективный его ввод в волоконные световоды;

 источник должен иметь высокую надежность, большой срок службы и минимальные габаритные размеры;

 простота технологии изготовления должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик источника излучения.

К источникам излучения могут предъявляться и другие специфические требования, в зависимости от конкретных систем.

Источником может быть как светоизлуающий диод (СИД), так и лазерный диод (ЛД), или просто лазер. Основу работы полупроводниковых источников излучения составляет инжекционная электролюминисценция, представляющая собой излучательную рекомбинацию инжектированных в активную область прибора носителей заряда. Из курса физики известно, что для генерации фотонов в полупроводнике необходимо наличие электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Создание пар носителей в возбужденном состоянии возможно различными способами, но наиболее практичным и эффективным является метод инжекции носителей заряда через p-nпереход, используемый как в светодиодах, так и в лазерных диодах, путем приложения к нему прямого смещения (рис. 2.1).

дырка

p-область

фотоны света р-n переход

n-область

электрон

Рекомбинация

Рис. 2.1. Основная идея получения светового излучения

Величина энергии, участвующей в этом процессе, равна разности между энергетическими уровнями: . Эта разность называется межзоновой щелью. Величина энергии между зоной проводимости и валентной зоной соответствует определенному кванту света. Длина волны кванта света:

, (2.1)

где:  постоянная Планка ( Дж-с), с скорость света ( м/с),

а Е₁ и Е₂  значение энергии, соответствующие границам щели.

СИД работает на спонтанной эмиссии. Работа лазера основана на принципе вынужденной эмиссии.

Кроме излучательной рекомбинации в полупроводниковых материалах существуют и другие механизмы рекомбинации, не связанные с излучением: рекомбинации на дефектах и примесях, ударная рекомбинация и др. Безызлучательная рекомбинация сопровождается в основном рассеиванием энергии в виде тепла, что приводит к нагреванию кристалла и снижению КПД источника излучения. Поэтому в полупроводниковых материалах, используемых для создания оптических излучателей, излучательная рекомбинация должна доминировать по сравнению с другими видами рекомбинаций. Наиболее эффективно излучательная рекомбинация происходит в прямозонных полупроводниках, у которых вероятность излучательной рекомбинации велика.

СИД с гомогенным переходом, то есть с переходом, образованным единственным полупроводниковым материалом, излучает свет как с боковой границы перехода, так и со всей его поверхности. Излучение при этом имеет широкую диаграмму и малую интенсивность, что не совсем пригодно для использования в оптических волокнах. В этом случае только малая часть излученного света может быть направлена в волокно.

Современные полупроводниковые источники излучения строятся на основе двойных гетеропереходов.

Гетеропереход  это полупроводниковый переход между двумя разнородными по основному химическому составу полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоны.

Например: Ge  Si, GaAlAs  GaAs, GaAs  Ge, InGaAs  InP.

Двойная гетероструктура в упрощенном виде представляет собой трехслойную структуру, представленную на рисунке 2.2.

n n p

(p) a

2 1 2

~ 0,1...0,2 мкм

E

инжекция электронов

E

E_g2 E_g1 E_g2 б

E

инжекция дырок

n₂ n₁ n₂ в

Рис. 2.2. Двойной гетеропереход

В такой структуре излучательная рекомбинация происходит в узком активном слое 1, расположенном между двумя ограничивающими (пассивными) слоями 2, которые формируются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны. Граница раздела между двумя слоями полупроводниковых материалов с различными значениями ширины запрещенной зоны Е_g и является гетеропереходом.

Отличительной особенностью гетероперехода является односторонняя инжекция, обусловленная потенциальным барьером из-за скачка потенциала на границе раздела. Если к двойной гетероструктуре приложено прямое смещение, происходит инжекция электронов из (n) и дырок из (p) областей в активный слой 1, а инжектированные носители заряда удерживаются в нем за счет двух потенциальных барьеров , связанных с гетеропереходами.

Другой особенностью двойной гетероструктуры является резкое различие оптических свойств слоев. Пассивные слои имеют более низкий показатель преломления по сравнению с активным слоем. Поэтому рекомбинационное излучение, рожденное в активном слое, может распространяться вдоль него, испытывая многократное отражение, как в диэлектрическом волноводе. Длина волны излучения зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого формируется активный слой.

Таким образом, двойная гетероструктура в малом объеме активного слоя обеспечивает высокую концентрацию как носителей заряда, так и оптического излучения.

Конструкции СИД 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.

Можно выделить два типа конструкции СИД:

 поверхностные  с выводом излучения в направлении, перпендикулярном плоскости pn - перехода;

 торцевые СИД, излучающие в направлении параллельном этой плоскости.

Наиболее рациональной является конструкция поверхностного СИД, в которой волокно непосредственно стыкуется с излучающей площадкой, диаметр которой должен быть близок к диаметру сердцевины волокна. Такую конструкцию называют диодом Барраса (она приведена на рисунке 2.3).

Волоконный световод

Контакт

Ш ирокозоновый Подложка n-Jp

слой n-JnP Узкозоновый слой p- JnGaAsP

Ш ирокозоновый

с лой p-JnP

SiO₂

Активная область Контакт и радиатор

Рис 2.3. Поверхностный СИД (диод Барраса)

СИД поверхностного типа вывод света ведут через n-область, поскольку поглощение в излучающей p-области очень высоко. Необходимо помнить, что ни одна оптическая система не может повысить эффективность ввода излучения поверхностного СИД в волоконный световод, если его излучающая площадка будет больше сердцевины световода. Уменьшение излучающей площадки с сохранением мощности излучения приводит к возрастанию тока накачки, что существенно сокращает срок службы СИД.

В торцевых СИД излучение выводится из активного слоя в плоскости, параллельной плоскости p-n перехода с торца. Структура СИД торцевого типа показана на рисунке 2.4.

контакт

подложка

n- GaAs

p- Al x Ga1-xAs p- GaAs

p - Al x Ga1-xAs p- GaAs

контакт

Рис. 2.4. Торцевой СИД

СИД с торцевым излучением на основе двойной гетероструктуры дает увеличение излучения с очень малой излучающей поверхности. Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется вдоль перехода. С помощью полосковой конструкции нижнего омического контакта, а также щели на задней части активного слоя излучающая область ограничена, что позволяет сделать ее достаточно короткой во избежание лазерного эффекта. Так как генерируемое излучение выводится наружу через активный слой, то наблюдается явление самопоглощения излучения в нем. Для уменьшения самопоглощения активный слой делают очень тонким (0,03  0,1 мкм), в результате чего излучение распространяется главным образом в ограничивающем слое, который ее не поглощает, так как имеет более широкую запрещенную зону. У торцевых СИД расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу, уменьшается до 60⁰, а в плоскости, параллельной переходу, где нет волнового эффекта, излучатель остается ламбертовским с шириной диаграммы направленности до 120⁰, как у поверхностного СИД. Мощность излучения у торцевого СИД в 25 раз меньше, чем у поверхностного, однако потери на ввод излучения в оптическое волокно, благодаря меньшей угловой расходимости, оказываются меньше на 46 дБ.

Используемые в СИД вещества определяют длину волны выходного излучения.

Квантовый выход (%)

100

Si

Ga_0.47 In_0,53 As

Ge

50

0 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 (мкм)

Рис.2.5. Спектральная характеристика квантового выхода

Изначально в волоконной оптике был освоен диапазон от 820 до 850 нм. Одна из причин выбора этого диапазона состоит в том, что приборы, работающие в нем, более надежные, дешевые и легко производятся. Длины волн, соответствующие диапазону от 820 до 850 нм, удобны и с точки зрения распространения по оптическому волокну. Таким образом, технология, основанная на использовании 820 нм излучения, является родоначальной. В настоящее время основной считается 1300-нанометровая технология. Устройства, работающие на длине волны 1300 нм, основаны на галлий-индий-арсениде фосфора (GaInAsP) и других комбинациях веществ третьей и пятой групп периодической системы Менделеева. Переход с 1300 на 1550 нм зависит, в частности, от развития технологии изготовления источников.

Слово Laser является аббревиатурой от Light Amplification by the Stimulated Emission (излучение света за счет вынужденного излучения). Одно из основных отличий лазера от СИД состоит именно в том, что ЛД использует вынужденное излучение среды, поэтому в нем обязательно присутствует встроенный оптический резонатор. Он представляет собой полированные строго параллельные противоположные грани кристалла для получения отражающих поверхностей, похожих на зеркала, и позволяет, при условии превышения током инжекции некоторого порогового значения, получить режим индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью когерентности. Наиболее часто в качестве оптического резонатора в полупроводниковых лазерных диодах используют:

 плоский резонатор Фабри-Перо;

 резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-резонатор);

 резонаторы с распределенным брэговским отражателем (РБО  резонатор).

Плоский резонатор обычно образуется параллельно сколотыми торцами полупроводника, а РОС и РБО резонаторы  путем периодической пространственной модуляции параметров структуры, влияющих на условия распространения излучения. Периодические структуры создаются периодическим изменением толщины диэлектрического волновода и показателя преломления. Такие структуры называют дифракционными решетками. При совмещении периодической структуры с активной областью получают РОСлазерный диод, а при размещении периодической структуры за пределами активной области  РБОлазерный диод. Упрощенная конструкция лазерного диода с резонатором ФабриПеро представлена на рисунке 2.6.

I

Рис. 2.6. Плоский резонатор Фабри  Перро

При слабых управляющих токах лазер работает подобно СИД, и излучение света носит характер спонтанного. По мере усиления тока лазер достигает порога регенерации, выше которого начинаются вынужденное излучение и нормальная работа лазера. Таким образом, для начала работы лазера требуется достаточно высокая плотность тока. Спонтанно излученные фотоны захватываются резонатором Фабри-Перо, отражаясь от полированных боковых граней, и делают несколько проходов от одного зеркала к другому. Данные фотоны несут с собой энергию, соответствующую ширине щели полупроводникового вещества, используемого в лазере. При взаимодействии этих фотонов с электронами, находящимися в возбужденном состоянии, происходит немедленная рекомбинация последних, сопровождающаяся излучением света. 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 направления распространения. Другими словами, падающий фотон приводит к излучению еще одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растет лавинообразно и излучение усиливается.

Итак, отличия лазерного излучения от излучения СИД следующие:

 высокая монохромность (излучение имеет узкую спектральную ширину). Идеальная монохромность означает наличие только одной длины волны в выходном излучении. В отличии от СИД лазерное излучение не имеет непрерывного спектра, а представляет собой дискретный набор длин волн вокруг центральной длины волны;

 высокая когерентность (фазы излучаемых фотонов совпадают);

узкая направленность (пучок света имеет малую поперечную дисперсию).

Под поперечной дисперсией понимается увеличение диаметра пучка света по мере распространения от источника. Рассмотрим основные характеристики источников излучения, представленные в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Параметр	СИД	Лазер
Выходная мощность	Низкая	Высокая
Скорость	Низкая	Высокая
Выходная апертура (NA)	Высокая	Низкая
Спектральная характеристика	Широкая	Узкая
Применение	Простое	Сложное
Период эксплуатации	Очень длинный	Длинный
Стоимость	Низкая	Высокая

Выходной мощностью называется мощность излучения при определенном значении управляющего тока. Как показано на рисунке 2.7, СИД излучает большую мощность по сравнению с лазером, работающем ниже порога генерации.

P_{вых (мВт)}

4

3 Лазер

2 СИД

1 Порог

I(мА)

50 100 150 200 250

Р ис. 2.7. Зависимость выходной мощности источника от силы тока

Выше порога генерации мощность лазера резко возрастает и непрерывно увеличивается вместе с силой управляющего тока. В зависимости от мощности излучения источники света могут быть расставлены в следующем порядке: лазеры, диоды с выходом излучения через боковую грань кристалла, диоды с выходом излучения через всю поверхность кристалла.

Скорость включения и выключения источника должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Время жизни спонтанного излучения значительно больше, чем индуцированного, поэтому светодиод является менее быстродействующим прибором. Скорость источника определяется временем нарастания и спада. Лазеры имеют время нарастания менее 1 нс, а СИД  несколько наносекунд. Зависимость ширины рабочей полосы (BW) от времени нарастания ( ) определяется приближенной оценкой:

. (2.2)

Например, время нарастания в 1нс позволяет работать в полосе 350 МГц, а в 5 нс  70 МГц.

Выходная диаграмма света является важной характеристикой для волоконно-оптических приложений. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в волокно. Чем уже выходная диаграмма, тем большая часть света может попасть в волокно. Хорошие источники должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Численной апертурой ( Numeric aperture, NA) называется способность волокна, источника собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углами, большими критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра (n1) и оптической оболочки (n₂):

. (2.3)

Отметим, то NA является безразмерной величиной.

Источники также имеют свои апертуры. NA источника определяет угловую апертуру выходного света. Диаметр выходного пучка определяет величину его поперечного сечения. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие характеристики волокна, в которое вводится излучение, то некоторая часть излучения теряется и не попадает в волокно.

Когда выходной диаметр источника не соответствует диаметру ядра волокна, потери излучения, связанные с рассогласованием данных характеристик, могут быть определены на основе следующего выражения:

. (2.4)

Потери отсутствуют, когда диаметр волокна превосходит диаметр источника, а когда апертура источника больше, чем апертура волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием

. (2.5)

Рассмотрим, например, источник с выходным диаметром 100 микрон и NA= 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром ядра 62,5 микрон и NA=0,275. В данном случае потери из-за рассогласования характеристик равны:

Общие потери составляют 4,9 дБ. Если выходная мощность источника составляет 800 мкВт, то только около 260 мкВт попадет в волокно.

Лазеры и СИД излучают в некотором конечном диапазоне длин волн. Этот диапазон известен как спектральная характеристика (ширина) источника. Он определяется 50 %  ным уровнем мощности относительно максимума, соответствующего центральной длине волны. Например, если источник имеет центральную длину волны 820 нм и спектральную ширину 30 нм, то его выходное излучение занимает диапазон от 805 до 835 нм. На длине волны 850 нм молекулярная дисперсия примерно равна 0,1 нс/км. Использование СИД со спектральной шириной 30 нм приводит к 3 нс дисперсии на расстоянии 1 км.

Относительная 1 СИД

выходная 0,75

мощность 0,5 Лазерный диод

0,25

0

770 790 820 850 880 Длина волны (нм)

Рис.2.8. Спектральная характеристика ЛД, СИД

На рисунке 2.8 видно, что спектральная ширина лазера существенно уже по сравнению со спектральной шириной СИД. Спектральная ширина лазера составляет от 2 до 5 нм, в то время как аналогичная характеристика СИД составляет десятки нанометров. Как правило, спектральная ширина не сказывается на качестве линии длиной в несколько километров, работающей на частотах до 100 МГц. Спектральная ширина является критическим параметром для высокоскоростных протяженных одномодовых оптических систем. В этом случае спектральная ширина ограничивает скорость передачи информации, так как ширина полосы пропускания одномодового волокна определяется величиной дисперсии и измеряется в пикосекундах на километр и на нанометр спектральной ширины источника (пс / км / нм).

Лазер имеет лучшие оптические характеристики по сравнению с СИД, но он сложнее, дороже и менее надежен в эксплуатации. ЛД требует более сложного управляющего оборудования. Например, выходная мощность лазера может заметно изменяться при колебаниях температуры, поэтому требует специального оборудования для поддержания выходной мощности лазера в заданном температурном диапазоне. Срок эксплуатационной службы лазеров, по сравнению с СИД, меньше, хотя в последнее время созданы ЛД со сроком службы, близким к требуемым значениям для ВОСП (~ 10⁵ часов).

Важным параметром источников излучения является срок службы. Всем источникам присуща деградация  постепенное уменьшение мощности излучения при длительной эксплуатации. Гарантируемое время службы источника определяется уровнем 50% (3дБ) уменьшения выходной мощности. Считается, что СИД, имеющий первоначальную мощность 1 мВт, заканчивает свою службу при уровне мощности в 500 мкВт.

Хотя в последнее время созданы ЛД со сроком службы, близким к требуемым значениям для ВОСП, все же срок службы у них значительно меньше, чем у СИД. Опытным путем установлено, что после некоторого начального периода приработки изменение мощности оптического излучения подчиняется экспоненциальному закону:

, (2.6)

где:  P_o  мощность нового источника излучения;

 t  время эксплуатации источника излучения;

• t_сл  гарантируемое время службы источника излучения.

Срок службы t_сл уменьшается с увеличением тока накачки. При возрастании температуры на 1020 градусов срок службы СИД сокращается примерно в 2 раза. При использовании в ВОСП срок службы СИД должен быть не менее 10⁵ часов.

На рисунке 2.9 показано изменение характеристики P(I_н) лазерного диода при непрерывной работе с излучаемой мощностью 5 мВт.

P(мВт)

0 ч. 4000 ч. 6000ч. 8000 ч.

10

5

10000 ч.

50 100 150 200 250 I_н(мА)

Рис.2.9. Зависимость выходной мощности ЛД от тока накачки

и продолжительности эксплуатации

Постепенная деградация источника излучения зависит от плотности тока накачки и скважности импульсов. Причиной катастрофической деградации является перегрев лазерного диода, приводящий к разрушению торцов.

Лазерные диоды, как и СИД, могут использовать для модуляции только однополярные сигналы. При цифровой передаче лазерные диоды накладывают некоторые ограничения на применяемые коды:

 практически невозможно использовать многоуровневые коды;

 необходимо использовать сигналы с малым содержанием низкочастотных компонентов, чтобы дать возможность стабилизировать выходную мощность диода.