3 Оптоэлектронные компоненты восп
3.1 Источники оптического излучения
Требования к источникам излучения.
Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения;
Узкая спектральная полоса излучения, при этом излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна, в которых достигаются наименьшие потери света при распространении;
Источник излучения должен обладать узкой диаграммой направленности, чтобы большая часть излучения источника попадала в ОВ с минимальными потерями;
Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения;
Источник излучения должен иметь достаточно большую выходную мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не настолько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приёмник;
высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным);
надежность и длительный срок службы (не менее 105 часов);
миниатюрность и жёсткость исполнения;
высокая технологичность и низкая стоимость и т. д.
Источники света и приёмники света, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов. Наиболее часто используются полупроводники, принадлежащие к III, IV, V группам таблицы Менделеева:
III группа – Бор (B), Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Таллий (Tl);
IV группа – Кремний (Si), Германий (Ge);
V группа– Азот (N), Фосфор (Р), Мышьяк (As), Сурьма (Sb), Висмут (Bi).
3.1.1 Природа излучения света
Не зная, как устроен
атом, невозможно объяснить излучение
света. Согласно знаменитой атомной
модели датского физика Нильса Бора
вокруг тяжелого положительного ядра
на определенных орбитах вращаются
легкие, отрицательно заряженные
элементарные частицы – электроны. Если
к атому подвести внешнюю энергию, то
электрон может быть поднят на следующую,
более высокую орбиту. При этом для
каждого скачка между двумя орбитами
требуется энергия, точно соответствующая
кванту Планка.
Количественное значение кванта излучения
было найдено Максом Планком в 1900 г.
Квант представляет собой порцию
энергии hf,
где f
– частота энергии излучения, h
– так называемая постоянная Планка –
это универсальная постоянная величина;
Удаленные от ядра орбиты не являются
для электрона стабильными. Он может
пребывать там короткое время и затем
возвращается на первоначальную орбиту
– прямо или “по ступенькам”. И подобно
тому, как электрон забирает энергию,
чтобы попасть на более высокую орбиту,
он отдает энергию при возвращении на
стабильную орбиту, при этом только
целочисленными порциями, которые
зафиксированы стабильными орбитами
(которые соответствуют определенным
энергетическим уровням) в модели атома.
Вращаясь на стационарных орбитах,
электроны не излучают. Нильс Бор в 1913
году сформулировал в виде постулатов
свои представления о механизме поглощения
и излучения света.
Согласно второму постулату Бора: излучение происходит только при переходе электрона с удаленной от ядра орбиты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близкую к ядру орбиту, т.е. на более низкий энергетический уровень, являющийся основным.
Излучение является следствием возбуждения атомов, т.е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную орбиту от ядра.
В полупроводниках концентрация электронов велика, поэтому энергетических уровней много и расположены они плотно, образуя энергетические зоны (Рисунок 3.1).
Валентную зону образуют электроны внешней оболочки атома. Зона проводимости образована электронами, которые совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Между ними находится запрещённая зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещённой зоны для каждого полупроводника различна (см таблицу 3.1).
Рисунок 3.1
Возбуждение атома приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, это может происходить: при поглощении света, или под влиянием температуры, или при ударе в атом внешнего электрона, или при химических реакциях и т.д.
Для того, чтобы излучение света происходило в течении необходимого промежутка времени, надо все это время к данному веществу, называемому активной средой подводить тем или иным способом энергию. Такой процесс получил название накачки.
Полупроводники классифицируются на собственные (СПП) и примесные (ППП). В СПП количество свободных электронов зависит от внешних факторов, а у ППП определяется концентрацией примесей.
В качестве источников света в современных ВОСП используются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ). Материалом для них служат примесные полупроводники, в которых созданы n и p области (рисунок 3.2). Полупроводник будет «n» типа, если к первому полупроводнику добавляется второй полупроводник, имеющий большую валентность. Например, к германию (4-х валентный) добавляется сурьма (5-ти валентная), их атомы взаимодействуют четырьмя электронами, а пятый оседает в зоне проводимости. Полупроводники «p» типа получают, например, добавлением к 4-х валентному германию 3-х валентного индия. Атомы индия отбирают электроны германия, и он становится дырочной проводимости.