Большая База Данных Рефератов - Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

- ширинаслоя. Собственную емкость ФД можно представить как емкость плоского конденсатора и записать в виде

где- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; го - диэлектрическая проницаемость вакуума;- площадьперехода;- ширина слоя, или, точнее, ширина слоя объемного заряда.

4.5.3 Режимы работы фотодиода

В зависимости от схемы подключения ФД к электрической цепи различают два режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный. Параметры и характеристики ФД в этих режимах имеют некоторые отличия. Режим включения, когда внешний источник питания смещает-переход ФД в обратном направлении, называется фотодиодным. Принципиальная схема включения диода в этом режиме представлена на рис. 2.21. Схема характеризуется наличием источника ЭДС С/Ип, напряжение которого приложено к диоду в обратном направлении и нагрузочным резисторомс которого

снимается выходной сигналПри включении ФД в обратном смещении

ток, протекающий через фотодиод-, равен

где- напряжение, приложенное к

ФД (с учетом знака); - фототок

(см.(2.46)). При достаточно большом обратном напряжении экспоненциальный член становится достаточно малым и тогда

Описать электрическую схему (рис. 2.21) можно следующим соотношением:

Воспользовавшись формулами (2.51)--(2.53), легко построить нагрузочную прямую на графике семейства вольт-амперных характеристик ФД (см. рис. 2.22). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и соответствующей данному потоку ветви характеристики ФД. Максимальный поток излучения, который можно зарегестрировать при заданных определяется пересечением нагрузочной кривой с осью ординат. В аналитической форме это можно записать следующим образом:

где. - токовая чувствительность ФД;- максимальный поток излуче-

ния, который может зарегистрировать ФД в фотодиодном режиме.

Необходимо отметить, что фотодиодный режим работы является линейным, так как ток, протекающий через ФД и напряжение на нагрузке прямопропорциональны потоку излучения.

Если ФД не имеет внешнего источника питания, он работает как преобразователь энергии светового излучения в электрическую и эквивалентен генератору, характеризующемуся напряжением холостого ходаили током короткого замыкания Схема включения ФД в фотогальваническом режиме приведена на рис. 2.23. Вольт-амперные характеристики для диода, включенного в фотогальваническом режиме, приведены на рис. 2.24. Чтобы получить основные соотношения для фотогальванического режима, вспомним формулу (2.46) для р-п-перехода под действиием потока излучения, которую можно переписать в следующем виде:

где - напряжение ненагруженного ФД, которое фактически равно изменению потенциала барьера-перехода Такимобразом, получаем

Из формулы (2.56) следует, что пои малой облученности, т.е. пр! зависимость напряжения на ФД от фототока, а следовательно, и от потока излучения близка к линейной

При больших значениях облученности, когда, эта зависимость - логарифмическая

Нагрузочная прямая для фотогальваническогорежима описывается формулой

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1 Виды генерации оптического излучения

Можно выделить два основных вида: генерация в результате нагревания, иначе говоря, тепловое излучение; люминесцентное излучение.

Тепловое излучение присуще всем нагретым телам и хорошо изучено. Спектр излучения (светимость) физического тела, нагретого до определенной температуры описывается формулой Планка

Анализ формулы (3.1) показывает, что при температуре, близкой к комнатной, или при незначительном нагреве спектр излучения тела практически целиком лежит в ИК-области. При нагреве тела до значительной температуры (1000 К) происходит все большее смещение максимума теплового излучения в видимую область спектра при увеличении светимости.

Типичным примером теплового излучателя может служить электрическая лампа накаливания. Однако такие недостатки, как высокая инерционность, низкий КПД, отсутствие направленности, очень широкий спектр излучения, а также хрупкость и несовместимость с технологией ИС привели к тому, что тепловые излучатели находят ограниченное применение в опто-электронике, обычно в некоторых типах оптронов и оптронных схем.

Основу современной оптоэлектроники составляют люминесцентные генераторы оптического излучения. Явление люминесценции известно уже более полувека, однако лишь в последние два десятилетия наблюдалось бурное развитие приборов на ее основе. Существует несколько видов люминесценции, из которых наиболее важными представляются электро- и фотолюминесценция. В первом случае возбуждение атомов вещества происходит под действием электрического поля, а во втором - путем поглощения более коротковолнового оптического излучения. Электролюминесценцию можно, в свою очередь, разделить на два вида: катодолюминесценция, которая вызывается свечением люминофора под действием ускоренных в электрическом поле заряженных частиц и широко применяется в различных типах вакуумных и газоразрядных приборов; и инжекционная люминесценция, происходящая за счет излучения фотонов электронами при изменении их энергетического состояния, вызванного протеканием электрического тока. В этом разделе будет рассмотрена инжекционная люминесценция и приборы, работающие на ее основе, такие, как светодиоды и инжекционные лазеры.

5.2 Светодиоды

Светодиодом или светоизлучающим диодом (СИД) называется полупроводниковый прибор спереходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение.

5.2.1 Основные параметры и характеристики светодиодов

Параметры и характеристики СИД можно разбить на две группы: к первой отнести величины, характеризующие светодиод как генератор оптического излучения, а ко второй - параметры, определяющие рабочие режимы. Кроме того, следует помнить, что в зависимости от назначения, например для индикаторных светодиодов, ИК-диодов, излучательных диодов для ВОЛС, может несколько изменяться система параметров и характеристик, приводимых в паспорте прибора. Рассмотрим последовательно основные параметры и характеристики СИД.

1. Сила света- обычно приводится при заданном значении прямого тока через диод и измеряется в канделах. Аналогичным параметром для ИК-диодов является мощность излучениякоторая опреде ляется как поток излучения определенного спектрального состава, излучаемый СИД при заданном прямом токе, и измеряемый в ваттах. Для быстро действующих ИК-диодов воз можно задание импульсной мощности излучения

2. Световая характеристика СИД - зависимость силы света от прямого тока, т.е. Графики зависимости для некоторых типов светодиодов приведены на рис. 3.6. Как видно из приведенных зависимостей, на начальном участке при малых токах зависимость силы свет

Рис. 3.7. Зависимости мощности излучения (а) и импульсной мощности излучения (б) в отн. ед. от протекающего прямого и импульсного прямого тока соответственно (показаны зоны разброса и усредненная кривая)

от протекающего тока существенно нелинейна из-за сильного влияния безиз-лучательных процессов. При значительных уровнях протекающего тока характеристика становится более линейной; обычно рабочая область выбирается именно на этом участке.

Для светодиодов ИК-диапазона аналогичную роль выполняет ватт-амперная характеристика, показывающая зависимость мощности, излучаемой диодом, от протекающего прямого тока, а для некоторьгх приборов приводится

также зависимость импульсной мощности излучения от амплитуды импульса прямого тока(рис. 3.7).

Как видно из рис. 3.7, ватт-амперные характеристики ИК-светодиодов более линейны по сравнению со световыми характеристиками диодов видимого спектрального диапазона. Линейность сохраняется, за исключением малого начального участка, вплоть до очень высоких импульсивных токов инжекции. Это объясняется тем, что для ИК-светодиодов подбирают исключительно материалы с прямозонной структурой, в то время как в светодиодах видимого спектра часто используют непрямозонные полупроводники с легирующими присадками.

3. Спектральная характеристика СИД - выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света. Вид спектральной характеристики обычно целиком определяется материалом активной области светодиода и характером легирующих примесей. Спектральные характери стики современных светодиодов, изготовленных из различных материалов,приведены на рис. 3.8 [44].

Ин/ересно отметить, что спектральная характеристика светодиода на основелегированного одновременно азотом и оксидом цинка, имеет два

выраженных максимума в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества легирующих примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, можно получить любые промежуточные цвета от зеленого до красного включительно. Примером светодиода, где реализован этот принцип получения цветов, может служить ЗЛ341Е, обладающий желтым цветом свечения.

Спектр излучения светодиода характеризуется двумя основными параметрами: длиной волны максимума спектрального распределенияи шириной спектра излучения по уровню 0,5 от максимальной интенсивности

4. Диаграмма направленности излучения показывает изменение интен
сивности излучения СИД в зависимости от направления, откуда ведется наблюдение. Диаграмма направленности зависит в основном от конструкции и материала корпуса светодиода и формы оптической линзы. С особым вниманием к учету этой характеристики следует относиться при разработке элементов индикации электронной аппаратуры для обеспечения удобств эксплуатации; подробнее эти вопросы освещаются в [45].

5. Электрические свойства светодиодов описываются вольтамперной характеристикой, которая аналогична ВАХ обычного диода, но прямое падение напряжения на светодиоде при одинаковом токе существенно больше,чем в кремниевом диоде, что объясняется большей шириной запрещенной зоны в материале,используемом для светодиодов.ВАХ некоторых светодиодов приведены на рис. 3.9.

6. Предельные эксплуатационные режимы СИД описываютсяследующими параметрами: максимальный прямой ток светодиода ; максимальный прямой импульсный ток ; максимально допустимое обратное напряжение

Следует помнить, что светодиоды не предназначены для работы в режиме обратного смещения. Величина максимально допустимого обратного напряжения обычно не превышает единиц вольт, поэтому использование СИД в цепях, где меняется полярность питающего напряжения, требует обеспечения мер защиты для предотвращения выхода СИД из строя.

7. Существенным недостатком светодиодов является сильная зависимость параметров от температуры окружающей среды, причем температурная зависимость проявляется как в изменении мощности излучения, так и в изменении спектрального состава (рис. 3.10). Например, при увеличении температуры окружающей среды напроисходит уменьшение мощности излучения приблизительно на. Температурный коэффициент длины волны максимума спектрального распределения зависит от типа полупроводникового материала: для прямо-зонного материала значение этого коэффициента составляет около а для непрямозонногожоло 0,09

8. Быстродействие СИД достаточно велико и составляет приблизительно десятки наносекунд. Быстродействие является важнейшей характеристикой ИК-светодиодов, используемых для ВОЛС, и обычно в паспорте приводят постоянные времени нарастания и спада импульса излучения

Данный параметр приводится редко, так как не является основным для индикаторных СИД.

5.2.2 Перспективы развития и применения излучательных диодов

Основными направлениями совершенствования излучательных диодов в настоящее время являются:

расширение спектрального диапазона излучения в коротковолновую часть спектра, а в ИК-области освоение диапазона 1,5-3 мкм для волоконно-оптических линий связи нового поколения;

повышение эффективности электролюминесценции и вывода оптического излучения;

развитие многоцветных систем отображения информации для электронных табло и дисплеев путем создания светодиодных индикаторов с большой (до нескольких квадратных сантиметров) площадью свечения, содержащих один или несколько одноцветных или разноцветных кристаллов;

создание малогабаритных с высокой яркостью и малым током потребления индикаторов для малогабаритной переносной аппаратуры, в том числе и предназначенной для эксплуатации при дневном освещении. Благодаря достигнутым в последнее время успехам по созданию высокоэффективных светодиодных источников излучения существенно расширилась их область применения. Например, ИК-диоды наряду с традиционным применением в различных оптронных конструкциях и системах дистанционного управления и автоматики сейчас успешно конкурируют с лазерами в открытых и оптоволоконных линиях передачи информации при скоростях до 10 Мбит/с. Кроме того возможно их использование в охранных системах и для ИК-подсветки в технике ночного видения. Светодиоды видимого диапазона, кроме традиционного использования для индикации и отображения информации, могут применяться в медицинской аппаратуре и газоанализе, копировальной технике, считывающих устройствах персональных компьютеров и анализаторов изображения, светосигнальных и навигационных приборах. Кроме того, последние разработки высокоэффективных СИД видимого диапазона спектра позволяют надеяться на успешное внедрение таких приборов в осветительную технику [84].

5.3 Инжекционные полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой двухэлек-тродный прибор с /5-л-переходом, излучение которого характеризуется высокой степенью пространственной и временной когерентности. Пространственная когерентность - это согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени, а временная -согласованность между фазами колебаний в одной точке пространства в различные моменты времени [55].

По своей конструкции полупроводниковые лазеры во многом подобны светодиодам, и в основу их принципа действия также положено явление инжекционной люминесценции. Однако лазерное излучение отличается от светодиодного монохроматичностью, направленностью, возможностью модуляции в широкой полосе частот. Кроме того, его высокая когерентность дает возможность более полно использовать информационную пропускную способность оптических каналов, применяя амплитудную, частотную, фазовую и другие модуляции оптического излучения.

5.3.1 Условия возникновения лазерной генерации

Рассматривая в разд. 3.2 инжекционную люминесценцию, мы полагали, что процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными электронными переходами зона-зона. Однако при некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Рассмотрим подробнее условия возникновения индуцированного или лазерного излучения. Сразу оговоримся, что данные уеловия будут справедливы для лазеров любого типа: полупроводниковых, газовых, твердотельных, на красителях и т.д.

Первое - необходимость активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения.

Второе - наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров таким механизмом является инжекция носителей заряда через р-п-переход, причем вблизи /?-п-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях выше, чем на низких.

Третье - наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Методы реализации положительной обратной связи могут быть самыми разнообразными. Одним из наиболее распространенных является использование резонатора Фабри-Перо, состоящего из двух плоскопараллельных зеркал, и обеспечивающего многократное прохождение оптического излучения через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола.

Четвертое - обеспечение условий ограничения (электрического, электронного и оптического). Электрическое ограничение состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область. Электронное ограничение требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла. Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. И, наконец, оптическое ограничение состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл. В инжекционных лазерах это требование обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча. Необходимо отметить, что для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения.

Пятое - наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д.

Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации. Рассмотрим условия возникновения лазерной генерации подробнее.

5.3.2 Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

Рассмотренные выше условия лазерной генерации излучения могут быть реализованы при протекании тока через полупроводник. Причем с момента создания первого лазера и по настоящее время структура полупроводниковых лазеров претерпела значительные изменения. Так, например, первые полупроводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшимпереходом. Основным недостатком подобных структур является несовершенство ограничительных свойств простогоперехода. Кроме того, границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области, не определены четко и меняются в зависимости от тока накачки. Поэтому лазеры на однородных полупроводниках не получили широкого распространения и в настоящее время практически не используются. Другой, несколько более сложной, является односторонняя гетероструктура. Основное ее достоинство - это наличие практически идеального выполнения условий ограничения, но только с одной стороныперехода при незначительном усложнении технологии. И, наконец, доминирующей в промышленных образцах полупроводниковых лазеров в настоящее время является ДГС. Основным ее достоинством является выполнение условий электрического, электронного и оптического ограничений по обе стороны от активной области, что позволяет при малых пороговых токах инжекции получать в сверхтонкой активной области, лежащей между двумя гетерограницами, значительные потоки излучения. Дальнейшее развитие ДГС привело к созданию четырех- и пятислойных структур, которые позволяют оптимизировать размеры оптического волновода с точки зрения оптимальности модового состава излучения, при этом толщина области электрической накачки обычно существенно меньше толщины волновода

Наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры на основе соединенийВ этой структуре более широкозонный материал получится из исходного материала путем замещения атомовна атомыв кристаллической решетке. Причем получаемый материал остается прямозонным вплоть до ).

Лазеры на основе этой гетероструктуры обычно работают в диапазоне длин волн от 0,75 до 0,9 мкм. Для более длинноволнового диапазона 1,3 и 1,55 мкм в настоящее время промышленностью осваиваются лазеры на основегетероструктуры, которые отвечают требованиям современных ВОЛС. Рассмотрим подробнее работу полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре Зонные диаграммы для этой ДГС в равновесном состоянии и при сильном положительном смещении приведены на рис. 3.21, а и 3.21, б соответственно. В равновесном состоянии при сильнолегированномслое уровень Ферми в узкозонном материале располагается внутри валентной зоны. Режим накачки лазера обеспечивается путем подключения гетероструктуры к источнику тока. Зонные диаграммы под действием тока, протекающего в положительном направлении, показаны на рис. 3.20, б. Высокий уровень инжекции через'-переход (слева) приводит к тому, что уровень Ферми оказывается внутри зоны проводимостей области. В результате в области наблюдается инверсия населенности между энергетическими уровнями вблизи дна зоны проводимости и уровнями

5.3.3 Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров

Рассмотрим систему параметров и характеристик, описывающих полупроводниковые лазеры.

1. Ватт-амперная характеристика, определяющая зависимость мощности излучения лазера от величины тока накачки. Типичная ватт-амперная характеристика полупроводникового гетеролазера приводится на рис. 3.23 [59].

На этой характеристике можно выделить три участка. Первый участок -светодиодный, т.е. участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения. На втором участке доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения. Такой режим работы называется суперлюминесценцией. И, наконец, третий участок, соответствующий режиму лазерной генерации. Мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, и зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна. Однако на практике не все обстоит так гладко. Часто в лазерах наблюдается пульсация оптической мощности, что выражается в наличии характерных перегибов на ватт-амперной характеристике (рис. 3.24) [10]. Такие перегибы характерны для лазеров с волноводным усилением. Причину появления перегибов связывают с перераспределением боковых и поперечных мод (так называемый эффект перескока мод), при этом выходная мощность излучения лазера возрастает с увеличением тока накачки существенно медленнее или даже падает до тех пор, пока не установится новый модовый состав излучения. Все вышесказанное является серьезной помехой для применения лазеров, когда требуется высокая линейность, и делает невозможной работу в аналоговом режиме. В таких лазерах проблему перескока мод удается решить путем уменьшения ширины активной области менее 10 мкм. Главная причина нестабильности при этом сохраняется, но порог возникновения при этом удается сдвинуть за пределы нормального режима.

2. Спектральная характеристика определяет мощность излучения в зависимости от длины волны. Рассмотрим зависимость спектральной характеристики от тока накачки (рис. 3.25). Спектральная характеристика (см. рис. 3.25, а) соответствует светодиодному режиму. Ширина спектра в этом случае максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер. Спектр на рис. 3.25, б характерен при приближении величины тока накачки к /пор и соответствует режиму суперлюминесценции. Ширина спектра в этом случае существенно меньше. И, наконец, спектральная кривая на рис. 3.25, в характерна для режима лазерной генерации. В этом случае на спектральной кривой четко прослеживаются спектры отдельных продольных мод, возникающие из-за неидеальности оптического резонатора. Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдельной моды менее 0,01 нм. Наличие в спектре излучения боковых поперечных мод увеличивает ширину линии каждой отдельной продольной моды.

По виду спектральной характеристики современные инжекционные лазеры подразделяются на одномодовые, когда основная мощность излучается на одной отдельной моде, а все остальные имеют существенно меньшую амплитуду, и многомодовые, в которых имеется, по крайней мере, несколько модлением ограничивается только ток инжекции внутри активного слоя, при этом повышенная концентрация носителей в области ограничения приводит к скачку комплексного показателя преломления с отрицательной действительной частью, поэтому коэффициент отражения от границ в этом случае меньше единицы, и волна частично распространяется в неактивной области, что и обусловливает искажения волнового фронта.

Активная область, играющая роль резонатора в полосковом лазере, имеет вид прямоугольного параллелепипеда (рис. 3.27). В резонаторе такой формы, вообще говоря, может существовать несколько типов колебаний (мод), каждое из которых характеризуется своей частотой, причем поскольку на этих частотах возможна лазерная генерация, то в выходном спектре лазера возможно появление соответствующих спектральных линий. Каждую моду можно охарактеризовать тремя целыми числами (г, /, к), которые соответствуют числу максимумов распределения электромагнитного поля по трем взаимно перпендикулярным направлениям внутри резонатора. В первом приближении условия резонанса соответствуют целому числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора, причем расстояние между двумя модами

Страницы: 1, 2, 3, 4

Меню

Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи