Источники и приемники света
Основой современных ВОСП являются оптические излучатели, представляющие собой оптические квантовые излучатели света, оптические квантово-электронные фотодетекторы, преобразующие кванты света (фотоны) в поток электронов (электрический ток) и среда распространения оптического излучения (потока квантов света – фотонов) – световоды или ОВ. То есть, все три составляющие ВОСП можно считать квантовыми системами.
Основными узлами ВОСП, во многом определяющими качество ее каналов, являются источники света (ИС) и приемники света (ПС), которые, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов. Наиболее часто используются полупроводники, принадлежащие к 3, 4, 5 группам таблицы Менделеева:
3 группа – Бор (В), Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Талий (Tl);
4 группа – Кремний (Si), Германий (Ge);
5 группа – Азот (N), Фосфор (Р), Мышьяк (As), Сурьма (Sb),Висмут (Bi).
Полупроводники характеризуются устойчивыми ковалентными связями между атомами вещества, причем число электронов, образующих эти связи равно номеру группы таблицы Менделеева (рисунок 6.1). Перечисленные выше материалы имеют тетраидальную кристаллическую решетку, в которой каждый атом связан с соседними ковалентными связями. Устойчивость этих связей, определяющих число свободных электронов в веществе, зависит от энергии электронов Е, которая в свою очередь определяется температурой окружающей среды, давлением, напряженностями электрического и магнитного полей, освещенностью и так далее. Из квантовой механики известно, что значения энергии не является непрерывными, а носит дискретный характер.
Рисунок 6.1
В этом случае говорят, что электрон находится на том или ином разрешенном энергетическом уровне. В полупроводниках концентрация электронов велика, поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя энергетические зоны. На рисунке 6.2 показаны зоны – зона проводимости с энергией Ес и валентная зона с энергией Еv, которые характеризуются энергетическими уровнями.
Рисунок 6.2
Между этими зонами находится запрещенная зона, которая характеризует электрические свойства каждого материала (таблица 6.1).
Таблица 6.1 – Величина Еg и λ для некоторых материалов.
Материал |
Ge |
Si |
AlP |
AlAs |
AlSb |
GaP |
GaAs |
GaSb |
InP |
InAs |
InSb |
Еg, эВ |
0,66 |
1,11 |
2,45 |
2,16 |
1,58 |
2,28 |
1,42 |
0,73 |
1,35 |
0,36 |
0,17 |
λ, мкм |
1,88 |
1,15 |
0,52 |
0,57 |
0,75 |
0,55 |
0,87 |
1,7 |
0,92 |
3,5 |
- |
Исходя из используемых спектральных диапазонов волоконно-оптического излучения от 0,8 до 1,6 (мкм) и некоторые перспективы выше 1,6 мкм можно отметить, что им соответствуют энергии запрещенной зоны 0,1 5 эВ, которыми обладают полупроводниковые материалы. Материал у которого значение Еg=0, называют проводником. Если Eg>5 эВ, то материал называют изолятором.
Полупроводники классифицируются на собственные (СПП) и примесные (ППП). В СПП число свободных электронов (или дырок) зависит от внешних факторов, например от температуры, освещенности. В ППП число свободных носителей зарядов определяется концентрацией примесей. Например, ПП 4 группы после введения наибольших концентраций примесей электронной 5 группы становится полупроводником n-типа (то есть основными носителями заряда здесь являются электроны). Те же ПП 4 группы, после введения примесей элементов 3 группы, становятся ПП р-типа (основные носители заряда – дырки).