4.9 Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем

Перспективным источником света для волоконно-оптических систем является светоизлучающий диод (СИД). Генерирование светового излучения в нем происходит так же, как и в лазерном диоде (ЛД), но из-за отсутствия оптической обратной связи СИД является некогерентным источником. Первый СИД из арсенида галия, пригодный для цели оптической связи, был изготовлен в 1962 году. Ширина спектра излучения СИД из арсенида галия обычно составляет 3000 нм., т.е. по крайней мере в 20 раз шире, чем у лазеров. Светоизлучающий диод излучает на многих пространственных модах. Поскольку число мод, которое может в нем распространяться неограниченно, то адекватную эффективность ввода излучения в светодиод можно получить только при использовании многомодового светодиода. Светоизлучающие диоды, предназначены для волоконно-оптической связи, должны иметь малую светоизлучающую поверхность и обладать большой энергетической яркостью.

Примерами таких диодов является диод Барраса и диод с краевым излучением. Диод Барраса излучает свет из небольшого круглого пятна диаметром приблизительно 50 мкм в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, как показано на рис. 4.24.

Рис. 4.24. Типы СИД, применяемых в волоконно-оптических сисемах: а) СИД, излучающий через поверхность (типа Барраса), со световодом, приклеиваемым к излучающей поверхности; б) СИД того же типа, но снабженный интегральной линзой с высоким показателем преломления для улучшения преобразования электрической энергии в излучаемую оптическую мощность; в) СИД с краевым излучением

Геометрия диода с краевым излучением аналогична геометрии лазера с полосковым контактом – излучает параллельно полосковому переходу. По сравнению с лазерами СИД отличаются простотой, т.к. у них зависимость мощности выходного излучения тока возбуждения остается практически линейной и мало изменяется во времени.

Поскольку нет резко выраженного порога, то нет и нужды слишком тщательно регулировать пиковый ток возбуждения, т.к. прибор вряд ли выйдет из строя при прохождении через него небольшого тока перегрузки; кроме того, с помощью простых температурных датчиков и управляющих устройств с разомкнутым контуром можно осуществить компенсацию различных температурных эффектов. При работе в системе связи СИД менее привлекателен, чем лазер, из-за большей ширины линии излучения и меньшей яркости; это означает, что он обычно генерирует меньшую мощность и заставляет обращать особое внимание на дисперсию в материале. Тем не менее, СИД твердо сохраняет свои позиции благодаря низкой стоимости и простоте эксплуатации и во многих случаях вполне могут заменить лазеры, отвечая требованиям разработчиков систем, в которых лазер лишь незначительно расширил бы рабочие пределы (запасы), что на практике оказывается совсем не нужным. Так как характеристики излучения СИД очень мало чувствительны к рабочим условиям, то при проектировании возможности выбора схем сужаются, а конструктивные решения соответственно упрощаются. В общем случае нужно сначала оценить мощность, направляемую в светодиод, найдя произведение яркости источника с заданным углом ввода на площадь сечения светодиода, и затем оценить эффективность стыковки одного с другим. Ширина линии излучения источника существенно не меняется, так что легко можно подсчитать дисперсию в материале, которая вместе с модовой дисперсией и шириной импульса позволяет оценить чувствительность приемника. Длительность возбуждающего импульса можно несколько уменьшить, чтобы снизить потери мощности в приемнике.

Время отклика (постоянная времени) СИД не равна нулю, и при использовании прибора в системе с высокой скоростью передачи информации это следует принимать во внимание. Время нарастания у типовых приборов с высокой яркостью лежит в интервале от 2 нс до 4 нс и поэтому может стать ограничивающим фактором. При необходимости можно пожертвовать яркостью ради быстродействия, что для специальных применений может оказаться вполне оправданным.

Преобразование электрической энергии в оптическую – представляет большой интерес для разработчиков высокоэффективных систем. Внутри самого СИД превращение электрической энергии в оптическую происходит с очень большим КПД. Значительная часть зонной оптической энергии впоследствии теряется прибором или поглощается, превращаясь в тепловую энергию. Создавая приборы малой площади, т.е. меньшей, чем площадь поперечного сечения светодиода, удается увеличить яркость при данном токе. А применение линзовой системы с большой числовой апертурой позволяет увеличить излучающую поверхность СИД и тем самым «заполнить» торец светодиода, благодаря чему увеличивается эффективная собирающая апертура прибора, который соединяют со светодиодом. Таким путем можно увеличить отдаваемую прибором мощность при заданном токе возбуждения. На основе этого принципа были изготовлены СИД со встроенными отрезками световодов и линзами.

Для волоконно-оптических систем пригодны СИД трех типов. Их конструкции изображены на рис. 4.24. Здесь: 1 – световод, 2 – клей, 3 – излучающая область; 4 – полусферическая линза с высоким показателем преломления; 5 – структура лазерного типа; 6 – длина контакта определяет размеры излучающей области. У простых плоскостных приборов или приборов Барраса площадь излучающей поверхности обычно меньше площади сердцевины светодиода, торец которого обычно размещают в непосредственной близости от этой поверхности. Такую конструкцию можно применить и для приборов меньшей площади, установив собирающую линзу с большей эффективной числовой апертурой, как показано на рис. 4.24, б. Наконец, на рис. 4.24, в показана совершенно иная структура, которая более подходит для лазеров, используемых в волоконно-оптических системах, и представляет собой СИД с краевым излучением. Принцип ее работы основан на изучении вдоль перехода, соединяемого со световодом точно так же, как и в случае лазера. Изучение из этой структуры некогерентно, хотя здесь может происходить некоторое уменьшение спектральной ширины линии сверхизлучения из-за усиления. В состоянии сверхизлучения происходит одновременное увеличения яркости и сужения спектральной линии, но прибор при этом не обладает экстремальной нелинейностью, свойственной лазерам, что дает возможность использовать очень простые устройства управления.

Для оптимизации ввода излучения в световод были разработаны СИД с краевым излучением и относительно толстым световодным слоем, расположенным около активного слоя, и имеющим несколько меньший показатель преломления. Сверхизлучение в этих приборах подавляется, так как свет, распространяющийся в световодном слое, лишь очень слабо связан со светом в области усиления, благодаря чему приборы имеют исключительно линейные характеристики. В отличие от приборов, обладающих значительным сверхизлучением, поглощающие области, образующиеся в активном слое СИД с краевым излучением по мере их старения, слабо влияют на параметры выходного излучения.

Другим перспективным типом светоизлучающих диодов для ВОС являются суперлюминесцентные диоды. Фактически это усилители спонтанного излучения без ОС. Обычно для них используется двойная гетероструктура с полосковым контактом, который только с одной стороны доходит до торца кристалла. Основное отличие от стороны лазера – отсутствие резонатора Фабри-Перо (нет ПОС). Длина усиливающей области больше чем в лазере (1,5 мм). Спонтанное излучение происходит равновероятно во все стороны, однако часть его удерживается и направляется планарным световодом и усиливается за счет вынужденного излучения. В процессе распространения с усилением происходит сужение спектра излучения, т.к. спектральные компоненты расположения у максимума линии спонтанного излучения усиливаются сильнее. Спектр излучения ССИД сплошной, как у поверхностных, однако значительно уже (35) нм. ССИД – суперлюминесцентный светоизлучающий диод. Диаграмма направленности более узкая, чем у поверхностных СИД и несимметричная, как у лазеров, с угловыми размерами 120⁰ и 40⁰. Эффективность ввода излучения в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных.

Мощность излучения (1÷10) мВт, вводится в многомодовый световод (0,11) мВт.

Особенности:

• суперлинейная ватт-амперная характеристика (близка к экспоненциальной);

• пороговая плотность тока меньше чем у лазеров;

• выходная мощность во много раз больше чем у светодиодов;

• ширина спектральной линии  = 2 - 6 нм на порядок меньше, чем у светодиодов, но значительно больше, чем у лазеров;

• излучение в отличие от излучения светодиодов, может быть поляризованным;

• диапазон рабочих температур и долговечность больше чем в лазера, но уступает обычным СИД.

Конструкция суперлюминесцентного диода представлена на рис. 4.25.

Рис. 4.25. Суперлюминесцентный диод

Параметры лазерных светодиодов для приводов оптических носителей информации и принтеров приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Лазерные светодиоды для приводов оптических носителей информации

Область применения	Наименование	Длина волны, Ip, нм	Макс. выходная мощность (Tc=25°C) Po, мВт	Схема
DVD-приводы	RLD2WMNV1	780/655	7
	RLD65MPT3	655	7
	RLD65MZT2	655	10
	RLD65MQT2	655	10
Пишущие DVD приводы	RLD65PZB2	658	160
	RLD65PZB3	658	180
	RLD65PZB4	658	200
	RLD65PZB5	658	240
Обычные CD-плееры	RLD78MPA1	785	5
Портативные CD-плееры	RLD78MZP1	785	4
Автомобильные CD-плееры	RLD-78MAT1	785	5
Многодисковые плееры	RLD78MZQ2	785	8.5
Приводы CD-R/RW	RLD78PZW2	785	180(импульс)
	RLD78PZW3	785	200(импульс)
	RLD78PZW4	785	230(импульс)
Лазерные принтеры	RLD78NZH1	785	5
	RLD78NZH2	785	10
Датчики, измерительные приборы и т.п.	RLD-78MC	785	5