6.1 Источники света

Источник оптического излучения, излучатель – прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения. В качестве источников света в современных ВОСП широко применяются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазерные диоды (ППЛ). Материалом для них, как правило, служат примесные ПП, в которых созданы n и р области. К источникам света предъявляются требования:

• высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения;

• узкая спектральная полоса излучения;

• направленность излучения – концентрация излучения на малой площади, характеризуемая показателем интенсивности I.

, Вт/см² (6.1)

где n – показатель преломления,

с – скорость света в вакууме,

Е – напряженность светового поля,

• когерентность излучения,

• необходимая мощность излучения,

• минимально возможные габариты и вес,

• длительный срок службы (не менее 10⁵ часов).

0. 6.1.1 Светоизлучающие диоды

В светоизлучающем диоде (СИД) в n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни энергии в зоне проводимости. В р-области соответствующие уровни в валентной зоне занимают дырки (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3

В плоскости контактов n и р областей возникают разность потенциалов – потенциальный барьер, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок в n-область. Если к СИД подключить источник напряжения в прямом направлении (плюс к р-области, минус к n-области) происходит инжекция электронов в р-область, а дырок n-область. В результате происходит рекомбинация дырок и электронов в р-n переходе. С энергетической точки зрения это означает переход электронов с уровня в зоне проводимости на более низкий уровень в валентной зоне. При прямом переходе выделяется фотон энергии Е_ф

(6.2)

где h – постоянная Планка, h=6,626·10^-34 Дж·с

f – частота излучения.

Длину волны излучения определим из 6.2

(6.3)

Описанный выше процесс называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение возникает при переходе любого электрона с любого уровня в зоне проводимости на любой уровень в валентной зоне. Энергетические уровни, занимаемые электронами и дырками дискретны, расположены вблизи друг от друга и образуют группы уровней, поэтому переходы происходят не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней. В следствии чего спектр излучения оказывается размытым. Ширина спектра излучения измеряется на высоте половины максимума мощности излучения Р_и, величина, которая зависит от тока инжекции (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения.

Ток инжекции определяется током накачки I_н, создаваемый источником питания Е_п. Зависимость мощности излучения от тока накачки Р_и=F(I_н) называется ватт - амперной характеристикой СИД (рисунок 6.5)

Рисунок 6.5

При рекомбинации электронов и дырок, р-n переход излучает свет равномерно во всех направлениях. Диаграмма направленности (то есть зависимость мощности излучения от угла отсечки Θ) в этом случае является сферой. Если СИД предназначен для работы в передатчике ВОСП, необходимо большую часть мощности излучения ввести в сердечник ОВ. Это достигается конструкцией СИД. В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 6.6) и торцевой (рисунок 6.7).

Рисунок 6.6

Рисунок 6.7

В поверхности излучения СИД волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке такой способ стыковки СИД и ОВ обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. Как правило, такие СИД содержат гетерослои («гетеро» - другой), то есть дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, которые отличаются от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усиление бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. При этом фотоны (кванты энергии) случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом направлении, отражаться от границ слоев, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции (рисунок 6.5). Благодаря некоторым особенностям торцевого СИД (рисунок 6.7) в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии и ее концентрации в активном слое. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света – суперлюминисцентными диодами (СЛД).

Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Р_{и max}/2). Для поверхностного СИД величины φ_х = φ_y и могут составлять 110º→180º. Для СЛД величины не равны и примерно составляют φ_х=60º, φ_y=30º.

Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю вводимой мощности от полученной в результате спонтанной рекомбинации

(6.5)

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