3.4 Основные характеристики сид

1) Ватт-амперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через СИД.

Характеристика имеет линейный и нелинейный участки, Нелинейность обусловлена предельными возможностями СИД по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесями и общего объёма активного слоя. Из рисунка 3.5 видно, что при одном и том же токе накачки мощность излучения поверхностного светодиода в два с лишним раза меньше, чем мощность излучения торцевого светодиода.

Рисунок 3.5 – Ваттамперная характеристика СИД и СЛД

2) Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения.

Рисунок 3.6 – Спектральная характеристика СИД и СЛД

При спонтанном излучении электроны переходят с любого уровня в зоне проводимости на любой уровень в валентной зоне.

Поэтому спектр излучения оказывается размытым, это следует из формулы: По спектральной характеристике можно определитьширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД ∆λ1 (около 10-30 нм), для поверхностного СИД ∆λ2 (около 30-60 нм). Более узкий спектр излучения СЛД объясняется наличием кроме спонтанного излучения небольшого числа стимулированных фотонов.

3) Диаграмма направленности излучения сид показывает распределение энергии излучения в пространстве.

Рисунок 3.7 – Диаграмма направленности светодиодов

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Рмакс /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины φ_x = φ_y и могут составлять 110-180º. Для СЛД величины φ_x и φ_y не равны и примерно составляют: φ_x = 60º , φ_y =30º.

4) Внешняя квантовая эффективность СИД показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации. Ризл/Ррекомб. (3.4)

Для СИД эта доля не превышает 2-10, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри СИД и отражением фотонов на границе «полупроводник-воздух» и «полупроводник-световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n=3,5) и среды (n=1,5).

3.5 Полупроводниковые лазеры (ппл)

Лазер – это оптический квантовый генератор. Термин «лазер» LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой английской фразы: «Усиление света стимулированным излучением».

Работа лазеров основана на открытом Эйнштейном виде излучения, называемом вынужденным, индуцированным или стимулированным. Этот вид излучения заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, то есть переход электрона на основную менее удаленную от ядра орбиту. А избыток энергии излучается в виде нового фотона (близнеца) с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона, вызвавшего этот процесс.

При прохождении света через вещество одновременно может происходить три процесса:

1. Процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное.

2. Процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние;

3. Вынужденное излучение фотонов возбужденными атомами;

Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном ещё в 1916 г.

Для того, чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбуждённом состоянии. То есть число электронов в зоне проводимости N₂ должно быть больше, чем число электронов в валентной зоне N₁. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8

В веществе с инверсной населённостью уровней на пути фотонов чаше встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.

В результате при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней поток света усиливается, а не ослабляется.

Экспериментальное явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населённостью уровней было открыто в 1951 году советскими учёными В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой. Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. Для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

Принцип действия полупроводникового лазера

Простейшим лазером является лазер с резонатором Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9. ППЛ имеет такой же излучающий PN переход, как и СИД, но структура его отличается тем, что кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор (так называемый резонатор Фабри-Перо).

Рисунок 3.9 – Лазер с резонатором Фабри-Перо

Одно из зеркал резонатора отражает свет с коэффициентом отражения близким к 100% , а другое зеркало является полупрозрачным (коэффициент отражения К=0,3), обеспечивая тем самым выход излучения наружу.

Рисунок 3.10 – Резонатор Фабри-Перо

На ППЛ подается прямое напряжение, под действием которого в активном слое происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, и возникает лазерное излучение.

Кристалл ППЛ имеет приблизительно следующие размеры: L=100-500 мкм; W=10 мкм; d=1 мкм (рисунок 3.9).

Что же происходит внутри резонатора?

В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.

Рисунок 3.11 – Ватт-амперная характеристика лазера

При малых токах накачки (рисунок 3.11) меньше половины атомов активного слоя находится в возбуждённом состоянии, поэтому количество вынужденных фотонов мало, лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как слабоэффективный светодиод. При увеличении тока накачки возрастает инверсная населённость и при N₂>N₁ происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым (рисунок 3.9). После порогового тока резко нарастает мощность излучения и его когерентность. Такой режим работы называется лазерной генерацией

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. На рисунке 3.8 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы резонатора. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала.

Лазерная генерация возникает только при определённой длине L резонатора, кратной целому числу полуволн L = m/2, где m = 1, 2, 3…- число полуволн. При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волн и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т. е. в резонаторе образуется стоячая волна.

Рисунок 3.12 – Спектр многомодового лазера

Лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра излучения, чем СИД. Лазер Фабри-Перо называют многомодовым, т.к. в его спектре излучения (рисунок 3.12) наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы (моды). Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн в резонаторе:

L = m/2. В резонаторе Фабри-Перо это условие выполняется не только для главной моды, но и для побочных мод. Ширина спектра многомодового лазера и СИД определяется на уровне минус 3дБ от максимальной мощности (P макс/2). Широкий спектр лазерных мод приводит к появлению хроматической дисперсии в ОВ.

Для ППЛ Фабри-Перо величина угла расходимости составляет: φ_x =5-10 град., и φ_y =15-30 град.

Величина порогового тока ППЛ Фабри-Перо сильно зависит от температуры тела лазера. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает (рисунок 3.13).

Если ток накачки остаётся прежним, то выходная мощность уменьшается. Для восстановления прежней величины излучаемой мощности необходимо увеличивать ток накачки. А сильное увеличение тока накачки может привести к разрушению активного слоя ППЛ, что приводит к необходимости применения схем термостабилизации параметров лазера.

Рисунок 3.13–Зависимость порогового тока ППЛ Фабри-Перо от температуры

ППЛ Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9, является гомолазером, так как состоит из одного вида полупроводников (AsGa). Этот ППЛ имеет большой ток накачки, необходимый для генерации и сильную зависимость тока накачки от температуры тела кристалла.

Для преодоления недостатков гомолазеров Фабри-Перо разработаны различные конструкции гетеролазеров. В 1967 г. Жорес Алферов создал первые полупроводниковые гетеролазеры Фабри-Перо, имеющие гетеропереходы, подобно торцевому СИД (Рисунок 3.18). Для их работы требуется меньший ток накачки при той же выходной мощности.

Недостатком лазеров Фабри-Перо является то, что они многомодовые. Такие лазеры имеют далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуются очень высокая скорость передачи и дальность связи, они, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения критерия “цена – эффективность”.

Одномодовые лазеры

Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения.

В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр:

1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры), (DFB – Distributed Feedback);

2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер), (DBR – Distributed Bragg Reflector);

В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера

Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой nInP и слоем pInGaAsP. Свет дифрагирует на щелях решётки под угломj. Оптическое излучение из активного слоя попадает на ДР, преломляется ею под углом j, отражается от слоя nInP, затем через щели поступает к слою pInGaAsP, отражается от него и т.д. Из курса физики известно, что для дифракционной решётки: sinj = m ×/ d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн. Поэтому в таком резонаторе стоячая волна образуется только для главной моды. При этом побочные моды подавляются на 20÷40 дБ по отношению к основной. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

Рисунок 3.15 – РБО-лазер

Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область.

Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн.

Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM).

Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.

Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера

Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ

Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».

Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо

В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом; уменьшается рабочий ток лазера.