4. Выбор лазерного диода и фотодиода

Лазерный диод

Полупроводниковые лазерные диоды(ЛД) – генераторы излучения, когерентного в пространстве и во времени, т.е. излучение ЛД монохроматично и сосредоточено в узком пучке.

Полупроводниковые ЛД имеют очень малые размеры около 0,1 мм в длину. В лазере с p-n переходом излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод. В результате легко осуществлять модуляцию интенсивности излучения путем изменения силы тока накачки пропорционально модулирующему сигналу.

Модуляция ЛД-ов может производиться на очень высоких частотах, т.к. они характеризуютсяочень малым временем стимулированного излучения.

Лазерные диоды имеют две главных конструктивных особенности:

1. ЛД имеет встроенный оптический резонатор (Рис. 2 .30)

Рис. 2.30 Схема оптического резонатора

2. Работает при больших токах накачки, что позволяет при превышении порогового значения получить режим индуцированного излучения (Рис. 2 .31). Такое излучение характеризуется высокой когерентностью.

Рис. 2.31 График режима индуцированного излучения

Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения применим только лазерный диод.

Фотоприёмный диод

В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда, для чего используется конструкция с p-n переходом, p-i-n фотодиоды (Рис. 2 .32).

Рис. 2.32p-i-n фотодиод

Таким образом, в p-i-n фотодиоде между сильно легированными слоями р⁺ и n⁺ типа расположен обедненный свободными носителями i-слой (слаболегированный полупроводник n-типа, i - intrinsic - собственный). На фотодиодподается обратное смещение. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальный градиент электрического поля создается в i-слое. Так как нет свободных носителей, то нет тока и i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего света на i-слой, в нем образуются электронно-дырочные пары, которые под действием электрического полядвижутсяиобразуютэлектрический ток. [ CITATION Гри06 \l 1049 ]

Исходя и из данных приведенных в таблице 2.1 наименьшее затухание обеспечивает, длинна волны 1550 нм, однако, стоимость такого лазерного диода существенно выше,чем с длинной волны 1310 нм, в свою очередь уровень затухания отличается на 0,1 дБ/км. Таким образом, использование лазерного диода с длинной волны 1310 нм (Рис. 2 .33) экономически более эффективно, при незначительном увеличении уровня затухания.Для выбранноголазерного диода подбирается соответствующий по характеристикам p-i-n фотодиод (Рис. 2 .34).

Рис. 2.33Лазерный диод 1310 нм со штепсельной розетойтипа ST

Рис. 2.34 p-i-n фотодиод со штепсельной розеткой типа ST

Характеристики лазерного диода и p-i-n фотодиода представлены в таблицах 2.2, 2.3 и таблицах 2.4, 2.5 соответственно.

Таблица 2.2

Предельно допустимые параметры лазерного диода

Параметр	Обозначение	Значение	Единицы измерения
Рабочий ток	If	Ith+20	мА
Обратное напряжение	Vr	2,0	В
Рабочая температура	Topr	-40 ~ +85	°С
Температура хранения	Tstg	-40 ~ +85	°С
Температура пайки	Tsld	260/10	°С/с

Таблица 2.3

Оптические и электрические характеристики лазерного диода

Параметр	Обозначение	Значение			Единицы измерения
		Мин.	Рабочее	Макс.
Пороговый ток	Ith	5		15		мА
Обратное напряжение	Vop		1,1	1,6		В
Выходная мощность	Pf	0,2		2,5		мВт
Длина волны	λ	1290	1310	1330		нм
Время нарастания/затухания (10~90%)	Tr/Tf			0,4		нс

Таблица 2.4

Предельно допустимые параметры фотодиода

Параметр	Обозначение	Значение	Единицы измерения
Мощность насыщения фотодиода	Ps	2,0	мВт
Обратное ток	If	2,0	мА
Обратное напряжение	Vr	15	В
Рабочая температура	Topr	-40 ~ +85	°С
Температура хранения	Tstg	-40 ~ +125	°С

Таблица 2.5

Оптические и электрические характеристики лазерного диода

Параметр	Обозначение	Значение			Единицы измерения
		Мин.	Рабочее	Макс.
Рабочая длинна волны	λ	1100	1310	1650		нм
Чувствительность	R	0,5	0,85			А/Вт
Темновой ток	Id		0,3	2,0		нА
Емкость	С		0,7	1,0		пФ
Время нарастания/затухания	Tr/Tf			0,3		нс
Ширина полосы частот	BW	1,25	3	5		ГГц