- •Часть 1:
- •1.1. Структурная схема волоконно-оптической системы передачи.
- •1.2. Конструкции плоских световодов.
- •1.3. Конструкции волоконных световодов.
- •1.4. Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Понятие моды.
- •1.5. Типы волокна.
- •1.6. Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому мм, градиентному мм и ступенчатому ом волокну.
- •1.7. Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.
- •1.8. Классы волн.
- •1.9. Типы волн. Пояснение к понятию «тип волны».
- •1.11. Дисперсионные характеристики ступенчатого волоконного световода для нескольких первых мод.
- •Часть 2:
- •2.1. Структура основных типов потерь в ов.
- •2.2. Механизм основных потерь в ов.
- •2.3. Обобщённая спектральная зависимость собственных потерь в кварцевом ов.
- •2.4. Потери на изгибах волокна.
- •2.5. Уширение импульсов из-за дисперсии в ов.
- •2.6. Структура видов дисперсии в ов.
- •2.7. Явление временного запаздывания лучей разных мод в вс.
- •2.8. Характер распространения света в вс с различным профилем показателя преломления и дисперсия.
- •2.9. Материальная дисперсия. Скорости распространения света разной длины волны.
- •2.10. Зависимость удельной материальной дисперсии объёмного кварцевого стекла от длины волны.
- •2.11. Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны.
- •2.12. Профиль показателя преломления одномодового волокна со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией.
- •2.13. Появление поляризационной модовой дисперсии.
- •Часть 3:
- •3.1. Искажение импульса из-за повторного отражения.
- •3.2 Способ ввода излучения в вс с помощью оптического конуса.
- •3.3 Способ соединение волокна с помощью трубки.
- •3.4 Способы соединения волокна с помощью пластин.
- •3.5 Виды дефектов при торцевом соединении вс.
- •3.6 Схематическое изображение разветвителя х-типа.
- •3.7 Схематическое изображение древовидного разветвителя.
- •3.9 Устройство разветвителя торцевого типа.
- •3.10 Устройство разветвителя с ветвящейся структурой.
- •3.11 Устройство разветвителя с расщеплением пучка.
- •3.14 Схематическое изображение ответвителя.
- •3.15 Устройство биконического сварного ответвителя и ход лучей.
- •3.16 Схематическое изображение звёздообразного разветвителя.
- •Часть 4:
- •4.1. Схематическое представление процессов поглощения и излучения.
- •4.2 Зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при помощи смещения u.
- •4.5 Структура продольного сечения сид с торцевым и боковым излучением.
- •4.6 Ватт-амперные характеристики сид.
- •4.8 Спектральная характеристика сид.
- •4.9 Форма импульса и время нарастания.
- •4.10 Упрощённая физическая модель лазера.
- •4.11 Структура поперечного сечения полоскового лазера типа n-p-p.
- •4.13 Диаграмма направленности и характер оптического излучения лд.
- •4.14 Спектральная характеристика многомодового и одномодового лд.
- •4.15 Структурная схема пом.
- •4.16 Принципиальная схема простейшего пом.
- •Часть 5:
- •5.1. Процесс перехода электрона в зону проводимости.
- •5.2 Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении u.
- •5.4 Вольт – амперные характеристики фотодиода.
- •5.5 Процесс образования носителей тока в p-n фотодиоде.
- •5.7 Процесс образования носителей тока в p-I-n фотодиоде и распределение электрического поля в структуре.
- •5.9 Структура продольного сечения лфд.
- •5.10 Процесс образования носителей тока в лфд, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре
- •5.11 Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов.
- •5.12 Структурные схемы аналогового и цифрового приёмных оптоэлектронных модулей.
4.2 Зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при помощи смещения u.
Если в образце создан p-n-переход, т.е. граница между областями с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то в отсутствие напряжения смещения (U=0) уровень Ферми одинаков во всём переходе (ЕФn=ЕФp). При положительной полярности внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной – на контакте к n-области) уровни Ферми смещаются на величину eU=ЕФn-ЕФp, потенциальный барьер в p-n-переходе понижается и электроны из n-области инжектируют в p-область, а дырки – из p-области в n-область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою потенциальную энергию либо квантам света hν (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси – тепловым колебаниям решётки (безызлучательная рекомбинация):
Рисунок 4.2 – Зонная диаграмма уровней энергии электронов обычного (гомогенного) p-n-перехода при прямом смещении U
Излучение обусловлено рекомбинацией избыточных носителей и сосредоточено, в основном, в p-n-переходе. Высвобождающаяся при излучательной рекомбинации энергия Ез приводит к рождению фотона. Длина волны, соответствующая этому фотону, определяется соотношением
где c – скорость света, h – постоянная Планка, Ез[эВ]=Еп-Ев – ширина запрещённой зоны. Для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещённой зоны Ез. Т.к. основа - межзонная излучательная рекомбинация, то необходимая ширина запрещённой зоны полупроводников, взятая из энергии фотонов видимого диапазона должна быть 1,8эВ ≤ (Ез=hν) ≤ 3,2 эВ. 4.3 Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при прямом смещении U.
Интенсивность излучения связана с величинами концентраций носителей в p-n-переходе и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счёт увеличения тока, протекающего через переход - тока инжекции (IИ). Т.е., энергия внешнего источника, преобразуется в энергию излучаемых фотонов.
Для оптимизации процесса генерации в источниках, при изготовлении переходов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы много выше, чем в другом. Типичные значения величин:
т.е., разница в величинах Nn и Np велика. Значит, можно считать, что ток инжекции в основном обусловлен инжекцией электронов в полупроводник p-типа.
Кроме p-n-переходов (гомопереходов), бывают и гетеропереходы. Гетеропереходы - переходы между полупроводниками из разных материалов с различной шириной запрещённых зон, но имеющие согласованные кристаллические решётки. В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины (d << Lp) из-за изготовления этого слоя малой толщины порядка 100…10 атомных слоёв. Для получения гетеропереходов с достаточно хорошими характеристиками, нужно кристаллическую решётку одного полупроводника с минимальным количеством нарушений переводить в кристаллическую решётку другого полупроводника, для чего требуются близкие параметры полупроводников, образующих гетеропереход. В гетеропереходах полупроводники могут быть p или n-типа. Т.е., возможны 4 комбинации. Используя для широкозонного материала обозначения N или P, а для узкозонного – n или p, возможны следующие переходы с различными свойствами: n – N, p – P, n – P и p – N. Энергетическая диаграмма гетероструктуры, в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещённой зоны E31 и E33 расположен тонкий слой с малой E33:
Рисунок 4.3 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при прямом смещении U
Помимо потенциального барьера обычного p-n-перехода на гетерограницах слоя образуются барьеры для электронов ΔEП и дырок ΔEВ. Если приложить к переходу прямое напряжение смещения, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой.
Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое d, дырки устремятся к потолку валентной зоны в слое d, где минимальны их энергии.
Гетероструктуры по сравнению с обычными p-n-переходами (гомопереходами) обладают двумя важными отличительными особенностями: 1)Односторонняя инжекция. Скачки потенциалов на границах представляют собой потенциальные барьеры для неосновных носителей, что приводит к локализации зарядов. 2)Резкое различие оптических свойств различных областей кристалла. Проявляется в том, что длина волны излучения, генерируемого в узкозонной базе, лежит ниже «красной границы» поглощения эмиттерной области. В связи с этим говорят об эмиттере как о широкозонном «окне», через которое излучение выводится из структуры практически без поглощения.