2. Джерела оптичного випромінювання

Для перетворення електричних сигналів в оптичні в техніці зв'язку існують різноманітні джерела випромінювання, що є основним базовим елементом сучасних волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ). Вибір типу джерела випромінювання обумовлюється його надійністю, технологічною інтеграцією з іншими компонентами, реалізацією одномодового або багатомодового режимів, шириною спектральної лінії випромінювання, потужністю, швидкодією, температурною стабільністю. Сучасний рівень розвитку технологій мікроелектроніки дає можливість отримувати джерела оптичного випромінювання у вигляді інтегрально-оптичних схем різноманітної функціональної складності і різноманітного призначення, які знаходять все більш широке застосування в техниці зв'язку.

Найкрашим чином вищеназваним умовам відповідають напівпро­відникові джерела випромінювання - світловипромінювальні діоди (СВД) і лазерні діоди (ЛД). Вони і є основним типом випромінювачів, що використовуються в ВОСП.

Фізичною основою роботи напівпровідникових випромінювачів є інжекційна електролюмінісценція. Один з найбільш ефектних способів створення електролюмінісценції в напівпровідниках - пропускання струму через p-n перехід (межа стику двох напівровідників з n- і р- типами провідності) шляхом прикладення до нього напруги зміщення. Під час рекомбінації (зворотнього воз'єднання) інжектованих електронів з дірками (позитивними зарядами, чисельно рівними заряду електрону) з цього переходу випромінюється світло. В прямозонних напівпровідниках галій-арсенід (GaAs), індій-арсенід (InAs), індій-фосфор (ІnР), алюміній-галій-арсенід (Аl_х Аs (0 х0,37)), галій-арсенід-фосфор (Р_у (0 х0,45)), в яких дозволеними є прямі оптичні переходи "зона-зона", рекомбінація носїв заряду при переході електрона із зони провідності в валентну зону супроводжується випромінюванням кванту (порції енергії), довжина хвилі () якого у відповідності з законом збереження енергії визначається співвідношенням:

(1)

де - ширина забороненої зони (зони заборонених рівнів електронів), еВ.

В напівпровідниках з непрямою забороненою зоною, таких як кремній (Sі), германій (Ge), галій-фосфор (GаР), алюміній-арсенід (АІАs), міжзонна електронно-діркова рекомбінація відбувається за участю фотона (квазічастинки, яка означає в квантовій теорії гармонічні пружні хвилі, що поширюються в кристалі з передачею енергії зв'язаних коливань вузлів гратки), що необхідно для виконання закону збереження імпульсу. Цей процес здійснюється відносно повільно, оскільки в ньому приймають участь вже три частки, але випромінювальна рекомбінація може ефективно відбуватись через відповідні домішкові центри (скупчення атомів сторонніх елементів) в два етапи: спочатку носії одного знаку локалізуються в домішковому центрі, а потім рекомбінуються з вільними носіями іншого знаку.

Розрізняють некогерентні та когерентні джерела випромінювання.

Некогерентне (спонтанне) випромінювання виникає при переході будь-якого електрона з одного енергетичного рівня на інший. Але оскільки час переходу усіх електронів не збігається, то відбувається накладання випромінювання і виникають світлові хвилі з неоднаковою амплітудою і фазою, внаслідок чого спостерігається неоднорідність і за частотою. Крім того, навіть ледь помітне коливання енергії теж може призвести до виникнення частотного розбігу випромінювання.

Спонтанне випромінювання має низьку монохроматичність, а світло, що випромінюється при цьому кожним електроном, не має регулярного напряму в просторі.

Когерентним називають випромінювання, в якому усі світлові хвилі синфазні.

В даний час більшість СВД та ЛД виготовляються на основі гетеропереходів, які утворюються з великої кількості напівпровідни­кових шарів. Головна різниця між гетеропереходом і гомопереходом полягає в тому, що заборонені зони утворюються двома різними матеріалами. Тому невідповідність кристалічних граток цих матеріалів може призвести до виникнення великої кількості невипромінювальних рекомбінаційних центрів, що в свою чергу зменшує ймовірність випромінювання світла. Отже дуже вижливим є підбір матеріалів. Матеріали повинні мати майже ідентичні коефіцієнти кристалічних граток. Найбільш широко використовуються таки гетероструктури, як GaAs та АІGaAs.