63. Источники и приемники сигнала в оптической линии связи. Параметры, принцип действия, характеристики.

Квантовые приборы оптического диапазона. В квантовых приборах используются переходы из 1-ого энер­гетического состояния в другое. Излучение или поглощение эл/маг излучения связано с этими переходами. Переходы м/у электронными уровнями соответствуют излучению в види­мом и ультрафиолетовом диапазонах, м/у колебательными уровнями – инфракрасному, м/у вращательными – СВЧ диапазону.

Квантовые переходы. Спонтанные переходы – самопроизволь­ные квантовые переходы частицы из верхнего энергетического состояния в нижнее с меньшим значением энергии. Уровень, соот­ветствующий наименьшей возможной энергии, называется основ­ным, а остальные – возбужденными. Спонтанные переходы сопро­вождаются эл/маг излучением. Частота излучения определяется из постулата Бора h_ij=E_i-E_J, где E_i и E_J – энергия верхнего и нижнего уровней; h – по­стоянная Планка. Частота _ij=(E_i-E_J)/h называется частотой квантового перехода. Количество частиц в единице объема с одинаковой энергией, равной энергии данного уровня, называется населенностью этого уровня. Пусть номер верхнего уровня i=2, а нижнего j=1. Населенности уровней N₂ и N₁. При спонтанных переходах происходит уменьшение населенности верх­него уровня и увеличение населенности нижнего уровня. Насколько уменьшится населенность N₂, настолько же возра­стет населенность N₁. Постоянную времени для этого процесса называют временем жизни уровня энергии по спонтанным пе­реходам: ₂ = 1/А₂₁. При каждом спонтанном переходе частицы выделяется квант энергии. Случайность спонтанных переходов означает, что различные частицы излучают не одновременно и независимо, т. е. фазы элек­тромагнитных волн, излучаемых отдельными частицами, не согла­сованы друг с другом. Поэтому спонтанное излучение вещества некогерентно. Вынужденные переходы – кванто­вый переход под действием внешнего эл/маг поля, ча­стота которого близка к частоте перехода. При этом возможны переходы с верхнего уровня 2 на нижний 1 и с нижнего на верхний. В 1-ом случае под действием внешнего эл/маг поля с частотой ₂₁ происходит вынужденное испускание кванта энергии h₂₁. Особенность – появившийся квант энергии полностью идентичен кванту энергии внешнего поля. Вынужденное излучение имеет та­кие же частоту, фазу, направление распространения и поляриза­цию, что и вызвавший его квант. Поэтому вынужденное излучение увеличивает энергию эл/маг поля с частотой перехода h₂₁. Это служит предпо­сылкой для создания квантовых усилителей и генераторов. На вынужденный переход с излучением энергии не затрачивается энергия внешнего поля, которое являет­ся лишь стимулятором процесса, а для перевода частицы из нижнего энергетического со­стояния 1 в верхнее 2 необходимо затратить энергию внешнего поля, равную разности энергии верхнего и нижнего уровней. Т.о, при каждом вынужденном переходе снизу вверх затрачивается квант энергии внешнего поля. Вынужденные переходы, так же как и спонтанные, имеют ста­тистический характер. Безызлучательные переходы. Атомы и молекулы в результате неупругих соударений друг с другом или с электронами теряют или приобретают энергию. При этом не происходит ни излучения, ни поглощения энергии электромагнитного поля. Такие энергетические переходы называют безызлучательными.

Схемы квантовых генераторов. Квантовый усилитель состоит из рабочей среды и системы накачки. Квантовый генератор содержит устройство обратной связи. Система накачки используется для создания инверсии насе­ленности и превращения рабочей среды в активную. Если уровень накачки достаточен, активная среда может усиливать свет. Обратная связь превращает квантовый усилитель в квантовый гене­ратор, если выполнить усло­вия баланса фаз и амплитуд. В квантовых генераторах оптическо­го диапазона (лазеры) функцию объемного резонатора выполняет си­стема зеркал, т.е. оптический резонатор. Обратная связь позволяет также осуществить многократное прохождение излуче­ния через активную среду и уменьшить ее размеры.

Волоконные лазеры и объемные микролазеры. Наряду с п/п источниками излучения используются волоконные лазеры. В этих устройствах используются переходы в электронных уровнях редкоземельных элементов или лантанидов. Эти элементы используются для легирования оптического волокна. Для легирования используются ионы неодима (Nd) и празеодим (Рг) - для усиления в окне 1300 нм, эрбий (Ег) – для усиления в окне 1550 нм. Спектры поглощения этих металлов определяют длины волн возможных источников накачки.

Спектральные хар-ки усиления ионов неодима и эрбия не зависят от внешних условий. Волоконная конструкция излучателя позволяет эффективно вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и одномодовые. Развитие световодных систем с когерентным приемом и мно­гоканальным спектральным уплотнением, стимулирует разработки волоконных лазеров, однако в оптических линиях связи большее распространения получили волоконно-оптические усилители.

Объемные микролазеры – миниатюрные твердотельные лазеры, на обладающих волноводными свойствами образцах кристаллов, активированных ионами неодима. Миниатюрность конструкции определяется применением эффективной системой накачки с использованием полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов на двойной гетероструктуре GaAlAs. Достаточно узкая однородно уширенная линия ионов неодима в кристаллах обеспечивает высокую монохроматичность излучения микролазеров с хар-ой для ионов неодима хоро­шей температурной стабильностью центральной длины волны. На­правленность излучения микролазеров выше, чем у п/п лазеров, что увеличивает эффектив-ность ввода их излучения в одномодовые световоды. В микролазерах, так же как и в волоконных лазерах, применяются два вида накачки: продольная в торец активного элемента и поперечная линейками СИД через боковую поверх­ность кристалла. Во 2-ом случае для увеличения эффективности накачки используются отражатели. Генерация в микролазерах получена на целом ряде активных сред: на кристаллах с малой концентрацией неодима, со средней концентрацией этих ионов. Кристаллы с высокой концентрацией неодима имеют малые размеры.

П олупроводниковые лазеры. В них используется инверсия населенно­стей, получаемая в п/п с одним или с различными типами проводимости (р-n-переход). Идеальное состояние (рис. 15.25), когда за счет диффузии неосновных носителей увеличивается поток электронов из n-области и поток дырок из р-области через переход. Через р-n переход потечет ток. Вдали от перехода, где сохраняется равновесное состояние, уровень Ферми в р области опустится. В области перехода, где имеются неравновесные носители, существуют два квазиуровня Ферми – для электронов E’_Fn и для дырок E’_Fp. В некоторой области перехода одновременно вели­ко количество электронов проводимости в группе уровней E_пр и ды­рок в группе уровней E_в. Поэтому в области  возникает инверсная населенность. Увеличением внешнего напряжения Uо растет прямой ток, растут концентрации электронов и дырок в области -перехода, и увеличивается вероятность рекомбинации и инверсия населенности. Растет уровень спонтанного и вынужденного излучения. Спонтанное излучение используется в светодиодах, а вынужденное в полупроводниковых ОКГ.

Излучение инжекционного лазера имеет большую угловую рас­ходимость вследствие дифракционных явлений в резонаторе. Вертикальный размер p-n перехода мал и составляет 1 мкм. Уг­ловая расходимость в этом направлении составляет 5-6 град. В плоскости р-n перехода угловая расходимость намного меньше (~1 град), т.к. размер области излучения здесь примерно на порядок больше. Спектр излучения инжекционного лазера зависит от выходной мощности, которая, в свою очередь, определяется плотностью тока через р-n переход. Инжекционные лазеры работают в импульсном режиме, при этом максимальная мощность в импульсе ограничивается пе­регревом кристалла и зависит от рабочей температуры и длитель­ности импульсов. Особенности:

1. Микроминиатюрность: потому, что в п/п лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона-зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd10³... 10⁴ см^-1).

2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу, т.к. вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.

3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов. Очень высокой скоростью переключения.

4. Генерации требуемой спектральной линии

5. Совместимость с основным элементом микроэлектроники – транзистором.

Недостатки:

1. Невысокая когерентность излучения;

2. Относительно малая генерируемая мощность;

3. Временная деградация – резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации.

Лазеры на ДГС, в которой сверхтонкая активная область "зажата" м/у 2-мя гетерограницами. Она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. 4-х и 5-ая структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой области накачки иметь толщину волновода, оптимальную с точки зрения числа распространяющихся мод. Двойная гетероструктура обладает двумя особенностями. Во-первых, в этих структурах организована односторонняя инжекция, обусловленная потенциальным барьером из-за скачка потенциала на границе раздела. Поэтому при приложении к двойной гетероструктуре прямого смещения происходит инжекция электронов из n-области и дырок из р-области в активный слой. Ин­жектированные носители заряда удержи­ваются в нем за счет двух потенциальных барьеров, связанных с гетеропереходами. Во-вторых в двойной гетероструктуре наблюдается резкое различие оптических свойств слоев. Пассивные слои имеют более низкий показатель преломления по сравнению с активным слоем. Поэтому рекомбинационное излучение, рожденное в активном слое, может распространяться вдоль него, испытывая полное внутреннее отражение. Т.о, ДГС обеспечивает в малом объеме активного слоя высокую концентрацию как носителей заряда, так и оптического излучения, проявляя тем самым высокую эффективность.

С труктура лазера на ДГС схе­матически изображена на рис. 5.5. Центральный активный слой (3) выращивается из GaAs без добавки алюминия и имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем окружающие его эмиттерные слои (2,4) из Ga_xAl_1-xAs. Эти слои имеют показатель преломления, сильно уменьшенный в сравнении с показателем преломления централь-ного слоя. Это означает, что здесь имеет место жесткий планарный волновод. Световое поле локализовано в активном слое существенно сильнее, чем в лазерах на гомогенных структурах. В этом активном слое происходит усиление светового сигнала.

Лазеры на ДГС имеют низкие пороговые плот­ности тока накачки и работают в режиме непре­рывной генерации при комнатной температуре по причинам:

1. инверсная населенность эффективно сконцентриро­вана в узкозоновом центральном слое;

2. активный слой имеет значительный скачок показателя преломле­ния, оптическое поле эффективно локализуется в нем;

3. потери вне активного слоя малы, поскольку ширина запрещенной зоны в эмиттерных областях больше, чем в усиливающем слое GaAs.

П/п сверхрешетки. Если толщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до длин волны де Бройля, то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобно двухмерному газу. Такая сверхтонкая ДГС представляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерный электронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку. Сверхрешетка – периодическая структура, состоящая из тонких чередующихся в одном направлении слоев полупроводников. Период сверхрешетки намного превышает постоянную кристаллической решетки, но меньше длины свободного пробега электронов. Особенности п/п сверхрешетки:

1. существенное изменение в сравнении с исходными полупроводниками энергетического спектра; 2. наличие большого числа энергетических зон; 3.очень сильная анизотропия (двумерность); 4.подавление электронно-дырочной рекомбинации; 5.концентрация электронов и дырок в сверхрешетке является перестраиваемой величиной; 6.широкие возможности перестройки зонной структуры.

Светодиоды. Светодиод – п/п диод с р-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение (рис. 5.4,a). Ра­бота светодиода основана на спонтанной рекомбинационной лю­минесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в ак­тивную область светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации: межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона, (рис. 5.4,а); рекомбинация электронов и дырок в непрямозонных полупроводниках (рис. 5.4,г).

Прямые переходы происходят без изменения импульса элект­рона (на рис. 5.4,в), по­этому закон сохранения импульса выполняется «автоматически» при непосредственной рекомбинации электрона с дыркой. Отсюда высокая вероятность таких переходов. Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных п/п может резко возрасти при образовании в них лову­шек, которые образуются путем легирования крис­талла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом Р) или одновременно кислородом и цинком (атомы О и Zn замещают атомы Р и Ga соответственно).

Рис 5 4. а - излучающая светодиодная структура; в – излучательный переход в прямозонном полупроводнике; г – излучательные переходы в непрямозонном полупроводнике;

Диаграмма направленности излучения светодиода значительно шире, чем у лазера.

Приемники оптических сигналов. Фотоприемник – прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обна­ружить это излучение и измерить его характеристики. По принципу действия все фотоприемники подразделяются на две группы: тепловые и фотоэлектрические (или фотонные), исполь­зующие внешний или внутренний фотоэффект. На основе внеш­него фотоэффекта создаются вакуумные фотоэлектрические при­боры, на основе внутреннего – твердотельные.

К ремниевые р-i-n фотодиоды – это п/п диод, сконструированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптическое излучение. Активная структура фотодиода представляет собой монокрис­талл п/п, содержащий переход, контакт и барьер, в области которого имеется скачок потенциала.

Падающее на фотодиод излучение достигает i-базы, в которой и поглощается с одновременной генерацией носителей заряда. При этом возмож­но доминирование одного из двух явлений: ионизации атомов са­мого полупроводника (межзонные переходы) или специально вве­денных в него примесей. На собственном или примесном фотоэффекте.

Генерация фотоносителей в базе приводит к нарушению кон­центрационного равновесия – начи-нается их перемещение: ды­рок влево (на рис. 1,6), электронов вправо. Это перемещение осуществля-ется благодаря механизму диффузии или если в базе имеется электрическое поле, что типично для p-i-n-структур, вслед­ствие дрейфа.

Система параметров и характеристик:

1. Монохроматическая чувствительность S_ф, А/Вт, равная отно­шению фототока к полной мощности излучения с длиной волны  падающей на чувствительную площадку фотодиода: S_ф=I_ф/P_изл() (1). Существует еще понятие интегральной чувствительности. 2. Темновой ток I_т, равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении. 3. Максимально допустимое обратное напряжение, характеризующее предельные возможности фотодиода при вклю­чении в электрическую цепь. 4. Время нарастания (спада) фототока t_нр(сп), определяемое по фронту фотоответа при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения; иногда в качестве характе­ристического времени используют параметр _рел – постоянную времени релаксации фотоотклика, при экспоненциальном нараста­нии и спаде фототока справедливо t_нр(сп) =2,2_рел.

5. Граничная частота f_rp, определяемая при изменении часто­ты модуляции оптического излучения по спаду чувствительности S_ф до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении.

6. Емкость фотодиода С_фд, равная сумме зарядной емкости ак­тивной структуры и паразитной емкости корпуса.

7. Площадь фоточувствительной площадки А. Необходимо учитывать шумы.

Лавинные фотодиоды. ЛФД – фотодиод, предназначенный для использова­ния в режиме лавинного умножения фототока. На фо­тодиод подают обратное напряжение, близкое к напряжению ла­винного пробоя. Генерируемые в базе фотоносители, диффундируя или дрейфуя, достигают области сильного поля, в которой происходит их лавинное размножение.

ЛФД имеют преимущество перед p-i-n-фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов. Для кремниевого ЛФД оптимальной является n-р-i-р-структура или ЛФД с проникновением, ЛФД с проколом. Эта структура – гибрид перекрывающихся между собой p-i-n-фотодиода и лавинного n-р-диода.

ЛФД хар-ся системой параметров: коэффициент усиления (умножения) М; квантовая эффективность , рабочее напряжение U_м, при котором достигается требуемое значение М; произведение ко­эффициента усиления на полосу частот Mf_rp – комбинированный параметр качества, позволяющий сопоставлять приборы с разны­ми значениями М и f_гр.

Достоинства и недостатки. Сопоставление ЛФД с p-i-n-фотодиодом показывает, что для ЛФД характерен ряд существенных недостатков:

- сложность, уникальность изготовления, высокая стоимость;

- высокие рабочие напряжения, работа в режиме усиления малых сигна­лов и непригодность для встраивания в микро­схемы;

- необходимость жесткой стабилизации рабочего напряжения и температуры;

- отсутствие конструкций матричного типа на основе ЛФД, от­сутствие перспективы создания таких конструкций, что делает ЛФД непригодными для использования в многоканальных уст­ройствах обработки информации.

Вместе с тем уникальное сочетание большого усиления и высо­кого быстродействия с приемлемым уровнем шумов.

18