Лабораторные работы по физике

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В волоконно-оптических системах связи применяются источники излучения двух видов: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) – полупроводниковые лазеры. Как в СИД так и в ЛД генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов.

СИД и ЛД изготавливаются из полупроводниковых материалов типа АIII В (арсениды и фосфиды галлия, индия и алюминия). В СИД используется спонтанное, а в ЛД вынужденное излучение при рекомбинации электронов и дырок, инжектируемых в область p-n-перехода. Путём изменения тока инжекции можно менять интенсивность света на выходе прибора, т.е. простыми средствами осуществлять оптическую модуляцию (прямая модуляция), что является одной из главных причин использования СИД и ЛД в системах связи.

Длина волны света, излучаемого СИД и ЛД, зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника. Для GaAs λ » 900нм. При добавлении к GaAs примеси алюминия λ уменьшается и может составить 780нм.

Для получения света с λ » 1,3мкм используют материалы InP, GaInAsP.

В СИД часто применяется структура с гомопереходами, что упрощает конструкцию и снижает стоимость, в ЛД обычно используется двойная гетероструктура, что снижает пороговые токи генерации и облегчает тепловой режим диода.

3.1 Двойные гетеропереходы

Двойная гетероструктура широко применяется в источниках света для систем связи. На рисунке 3 показаны энергетические уровни P-n-N двойной гетероструктуры, полученной путём добавления к гетероструктуре n-N ещё одной области P с широкой запрещённой зоной.


а – энергетическая диаграмма; б – распределение показателя преломления n по слоям структуры

Рисунок 3 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов

двойной гетероструктуры при прямом смещении.

Отличительной особенностью двойного гетероперехода является не только односторонняя инжекция электронов, но и односторонняя инжекция дырок, обусловленные потенциальными барьерами ΔЕп и ΔЕв , возникающими из-за скачка потенциалов на границах разделов. Поэтому при приложении к двойной гетероструктуре прямого смещения, т. е. при пропускании через него тока – электроны и дырки проникаютв активную область 1 из прилегающих пассивных областей 2 и 3. В области 1, вследствие локализации носителей, устанавливается более высокая и однородная их концентрация и более высокая скорость рекомбинации, сопровождающаяся излучением света.

Светоизлучающий диод

В СИД излучение выводится наружу обычно в направлении, перпендикулярном плоскости электронно-дырочного перехода (рисунок 4).

В подложке прибора вытравлено углубление, куда вставляется оптическое волокно, для того, чтобы уменьшить толщину поглощающего слоя полупроводника, через который должно пройти генерируемое в активном слое излучение. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно в углубление может быть помещена сферическая микролинза (рисунок 4, б). Применяются также СИД с выводом излучения параллельно поверхности p-n перехода через боковую грань прибора. Это уменьшает размеры сечения пучка и повышает эффективность ввода света в волокно. Следует отметить, что СИД не очень чувствительны к перегрузкам, обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции (рисунок 5).

Спектр излучения СИД представляет собой гладкую кривую (рисунок 6); ширина спектра относительно велика (50–100нм), типичный ток инжекции 100–200мА, выходная мощность 1–5мВт.


 

Рисунок 5 – Зависимость выходной мощности от тока инжекции для СИД двух типов

 

 

 

Рисунок 6 – Спектры излучения СИД

 

Лазерные диоды позволяют получить излучение более высокого качества и обеспечить лучшую эффективность ввода его в световод.

В СИД объём области, в которой происходит излучательная рекомбинация, относительно велик (десятки тысяч кубических микрометров). В ЛД активная зона во много раз меньше: поперечное сечение 0,5–2мкм2 при протяженности 300–500мкм. Поэтому концентрация инжектированных носителей велика, что обеспечивает возникновение стимулированного излучения.

1 – металлизированный слой

2 – GaAs р+-типа

3 – AlGaAs P-типа

4 – GaAs р-типа(активный слой)

5 – AlGaAs N-типа

6 – подложка GaAs n+-типа

7 – конус распространения излучения

8 – оптическое волокно

Рисунок 7 – Типичная структура ЛД

Типичная структура ЛД показана на рисунке 7. Активная зона GaAs р-типа заключена между двумя горизонтально расположенными слоями AlGaAs, показатель преломления для которых ниже, чем для GaAs. То есть активная зона приобретает свойства ступенчатого световода, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями, получающимися при сколе кристалла (оптический резонатор). Чтобы в активной области обеспечить высокую концентрацию носителей, заштрихованные на рисунке 7 участки объёма делают плохопроводящими с помощью бомбардировки их протонами.

При токе инжекции, превышающем пороговый Iп, вдоль активного слоя возникает генерация стимулированного излучения. До этого тока существует только слабое спонтанное излучение – большая часть его поглощается в толще ЛД, так как оно не носит направленный характер. Поэтому типичная зависимость выходного излучения в ЛД от тока, в отличие от СИД, носит пороговый характер (рисунок 8). Пороговый ток обычно составляет 50–150мА.

Расходимость выходного излучения в ЛД значительно меньше, чем в СИД, но по сравнению с другими типами лазеров она сравнительно велика. Сечение пучка получается эллиптическим с максимальной расходимостью в направлении, перпендикулярном к p-n-переходу в 30–600, а вдоль перехода – 20–400.

В обычном ЛД генерируется одновременно несколько мод (рисунок 9): 10–20 на λ = 0,85мкм и 5–6 мод на λ = 1,3мкм. Спектральная ширина каждой моды примерно 0,2нм (80ТГц) при общей ширине полосы 1,2ГГц.

Рисунок 9 – Спектры излучения многомодовых лазерных диодов

Однако, используя специальные конструкции ЛД с селективными и со связанными отражателями (рисунок 10), можно выделить одну моду, обеспечив таким образом одночастотный монохроматический режим работы лазера.

1 – решетка; 2 – активная область; 3 – внешний световод; 4 – оптический вывод; 5 – активный слой; 6 – скрытый слой; 7 – световодный слой; 8 – резонатор 1; 9 – резонатор 2

Рисунок 10 – Типы одномодовых лазеров

Селективное отражение определенной длины волны можно достигнуть в конструкции (рисунок 10, а), где по обеим сторонам активной области формируется гофрированный слой с избирательным коэффициентом отражения в зависимости от λ – лазер с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ-лазер), либо гофр может быть нанесен на саму активную область (рисунок 10, б) – распределенная обратная связь (РОС-лазер). В конструкции, показанной на рисунке 10, в, соединены два лазерных резонатора различной длины (С3-лазер). Здесь генерация возникает только на той длине волны, которая образует собственную моду и для одного и для другого резонатора. Одномодовые лазеры обеспечивают наибольшую пропускную способность ВОЛС.

Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения