3.4.3 Источники и детекторы светового излучения

Общие характеристики оптической передающей системы определяются не только световодами, но и источником, и приемником света, соединительными элементами и контактами. В качестве источника све­та обычно используют светодиоды и лазерные диоды, Эти приборы имеют небольшие размеры, и их можно легко подсоединить к световодам.

1. Основой светодиода является рn-переход. Если он включен в прямом направлении, то электроны из n-области и дырки из р-области попадают в переход­ную зону, где они рекомбинируют. При этом испу­скаются кванты света. Светодиод обладает очень важным преимуществом: скорость рекомбинации, а значит, и число возникающих квантов света пропор­циональны количеству пар носителей заряда, попа­дающих в активную зону, а, следовательно, прямо пропорциональны току через диод. Таким образом, испускание света можно легко модулировать с по­мощью тока, текущего через диод. На рис. 10 схе­матически показана зависимость мощности светового излучения от тока для светодиода. Вид такой харак­теристики зависит от температуры [5.4]. Поэтому в оптических передающих системах, где источником света служит светодиод, необходимо хорошо стабили­зировать температуру.

Длина волны испускаемого света зависит от рас­стояния между валентной зоной и зоной проводимо­сти светодиода. Энергии электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне могут различаться, поэтому длина волны излучения определена не очень точно. Спектральная полуширина линии составляет для светодиодов в области = 800 – 900 нм примерно =40–60 нм. Светодиоды обычно изготовляют из арсенида галлия (GaAs) или арсенида галлия-алю­миния (GaAlAs). В интервале длин волн около 1,3 и 1,55 мкм используют соединение GaInAsP: нужная длина волны достигается изменением состава этого материала.

Поскольку процессы рекомбинации происходят самопроизвольно, излучение светодиода является не­когерентным. Яркость излучения почти не зависит от направления, и светодиод близок по свойствам к из­лучателю Ламберта. Время нарастания импульса света ограничено временем жиз­ни носителей заряда в активной зоне (обычно от 1 до 10 нс), и поэтому часто­ты модуляции светодиодов не превышают 50 – 100 МГц (и лишь в отдельных слу­чаях достигают 1 ГГц [5,4]).

Рис. 10

2. Расширить область частот модуляции до гигагерц позволяют лазерные диоды. Они изготовляются из тех же материалов, что и светодиоды, но имеют существенное отличие: плоские поверхности диодного кристалла, расположенные перпендикулярно его активной зоне, служат в качестве плоскопараллельных зеркал, образующих оптический резонатор (резона­тор Фабри–Перо). Активная зона таких диодов вы­полняется очень тонкой, и поэтому, как и в светодиодах, в ней могут существовать только некоторые моды с определенной частотой. В излучении этих мод со­средоточивается большая энергия. При инверсии на­селенности вынужденное излучение преобладает над поглощением, и кванты света испускаются с опреде­ленной фазой: активная зона служит усилителем све­та. Когда усиление света становится настолько боль­шим, что оно компенсирует потери света в резона­торе, прибор переходит в лазерный режим генерации. Через полупрозрачное зеркало испускается когерент­ное излучение с определенными параметрами. На рис. 5.21 показана типичная P/I-характеристика ла­зерного диода. Ниже порогового значения тока I_s мощность света на выходе лазерного диода мала, а само излучение некогерентно. Выше I_s мощность рас­тет прямо пропорционально току через диод. Мощ­ность излучения у лазерного диода зависит от темпе­ратуры существенно сильнее, чем у светодиода, по­скольку к температурной зависимости наклона харак­теристики добавляется еще и сильная температурная зависимость порогового тока I_s (Т).

В общем случае спектр лазерного излучения со­стоит из нескольких узких эмиссионных линий, кото­рые соответствуют различным частотам мод, усили­ваемых в резонаторе. Очень узкое пространственное распределение излучения и пониженный эффективный коэффициент преломления приводят к тому, что при подключении лазерного диода к световоду в нем возбуждается только продольная мода излучения. При спектральной ширине линии менее 6,01 нм можно пренебречь дисперсией, которая определяется свой­ствами материала.

В качестве детекторов светового излучения, под­ключаемых к противоположному концу световода, в основном используют полупроводниковые фотодиоды. За счет внутреннего фотоэффекта оптический сигнал преобразуется в них в электрический. Используют простые рn-диоды, pin-диоды и лавинные фотодиоды. Устройство этих приборов подробно обсуждается в разд. 7.5.2. Частотная характеристика определяется не только диффузионными процессами и временами жизни носителей заряда в диодах, но и характеристи­ками внешнего нагрузочного контура. Верхние гра­ничные частоты лежат в области нескольких гига­герц, причем широко доступны диоды с предельной частотой около 7 ГГц.