Источники випромінювання в интегрально-оптических схемах

Источники випромінювання в интегрально-оптических схемах.

Светодиоды, их властивості й технологія изготовления.

Конструкции напівпровідникових лазерних діодів і світлодіодів (СД), застосовуваних ВОСП, дуже разнообразны. Конструкции СД вибирають з такою расчетом, чтобы зменшити власне самопоглощение излучения, обеспечить режим роботи за високої густини струму инжекции і збільшити ефективність введення випромінювання в волокно. Для підвищення ефективності введення використовують микролинзы як формовані безпосередньо лежить на поверхні прибора, так і внешние.

В справжнє час набули поширення дві основні модифікації СД: поверхностные і торцевые. В поверхневих СД випромінювання виводиться в направлении, перпендикулярном площині активного слоя, а в торцевих з активного шарув паралельної йому плоскости. Схематическое зображення конструкції СД обох типів наведено на рисунке. Для поліпшення відводу тепла від активного шару за високої щільності токанакачки застосовують теплоотводы.

Вывод випромінювання в СД поверхового типу на арсеніді галію здійснюють через круглий отверстие, вытравленное в обложке. В це отвір вставляють оптичні волокна і закріплюють його з допомогою эпоксидной смолы. Такую конструкцію світлодіода називають діодом Барраса. Известны також конструкції поверхневих СД із конкретним висновком випромінювання безпосередньо через подложку. Такие конструкції застосовують у СД на четырехкомпонентном поєднанні GaInAsP. В цьому випадку підкладка з InP є прозорим окном.

В торцевих СД з подвійний гетероструктурой висновок випромінювання активного шару здійснюють з торца, как й у лазерних диодах. Благодаря повного внутрішньому відображенню оптичне випромінювання поширюється вздовж перехода. С допомогою полосковой конструкції нижнього омічного контакта, а також щілини задній частини активного шару активна область ограничена, что дозволяє уникнути лазерної генерации. Так як генеровану випромінювання при виведення назовні проходить через активний слой, то має місце самопоглощение випромінювання у тому слое. Для зменшення самопоглинання активний шар виконують тонесенький (0,03…0,1 мкм).В результаті випромінювання поширюється головним чином ограничивающем слое, который завдяки великий ширині забороненої зони має невеликі втрати на поглощение.

Излучение СД виникає й унаслідок спонтанної излучательной рекомбінації носіїв заряду і тому є некогерентным, а отже щодо широкосмуговим і слабонаправленным.

Особо слід виділити суперлюминесцентные СД. В цих диодах крім спонтанної рекомбінації з випромінюванням використовується процес індукованої рекомбінації з випромінюванням; вихідний випромінювання є посиленим в активної среде. Суперлюминесцентные СД є торцевые СД, работающие при такі високі плотностях струму инжекции, что у вихідному матеріалі активного шару починає спостерігатися инверсная населеність енергетичних уровней.

Принципиальным відзнакою лазерного діода від СД є у першому вмонтованого оптичного резонатора, что дозволяє за умови перевищення струмом инжекции деякого граничного значення отримати режим індукованого излучения, которое характеризується високим рівнем когерентности. Наиболее часто як оптичного резонатора используют: плоский резонатор Фабри-Перо та її модификации, включая складові і його зовнішні резонаторы, резонаторы з розподіленої зворотної зв’язком (РОС-резонатор) і з розподіленим брэгговским відбивачем (РБО-резонатор).Плоский резонатор утворюється зазвичай паралельно сколотым торцям напівпровідника, а РІСі РБО-резонаторы —шляхом періодичної просторової модуляції параметрів структуры, влияющих на умови поширення излучения. При поєднанні періодичної структури з активною областю отримують РОС-диод, а під час розміщення періодичної структури поза активної області — РБО-лазерный диод.

Преимуществами РІСі РБО-лазерных діодів проти звичайним лазерним діодом з резонатором Фабри-Перо являются: Уменьшение залежності довжини хвилі випромінювання від струму инжекции і температуры, высокая стабільність одномодовости і одночастотности излучения, практически 100-відсоткова глибина модуляции. Так, если в лазерному диоде з резонатором Фабри-Перо температурний коефіцієнт порядку 0,5…1 нм/°С.Кроме того РІСі отказ. Кроме того, для РБО-структуры дозволяють реалізувати интегрально-оптические схемы. Основным їх недоліком є складна технологія изготовления.

Полупроводниковые випромінювачі у випадку визначаються комплексом параметрів і характеристик, включаючи габаритні і присоединительные размеры. Однако з погляду їх застосування як компонентів ВОСП важливе значення має обмежений набір параметрів і характеристик, которые найчастіше й наводяться в паспортні дані конкретних приборов.

Наиболее важливими до застосування в ВОСП параметрами являются: средняя потужність излучения, ширина випромінюваного спектра, время наростання і спаду імпульсу випромінювання при імпульсному порушенні струму накачки, падение напруги на диоде і напрацювання лазерних діодів і торцевих світлодіодів, які мають вузької діаграмою направленности, существенное значення мають кути расходимости за рівнем половинної мощности. Эти кути зазвичай визначають в напрямі випромінювання в паралельної і перпендикулярної переходу площинах і позначають відповідно і .Обидва кута характеризують полі випромінювання в дальньої зони і зазвичай =10…30° і =30…60°.

Средняя потужність випромінювання під час роботи під час роботи випромінювача у безперервному режимі визначає повну мощность, излучаемую поверхнею активної області приладу в напрямі виведення излучения.

Длину хвилі випромінювання визначають як значение, соответствующее максимуму спектральн ого розподілу мощности, а ширину випромінюваного спектра  — як інтервал довжин хвиль, у якому спектральна щільність потужності становить половину максимальної. Огинає спектрального розподілу випромінювання світлодіода має приблизно форму гауссовской кривою з = 20…50 нм. Для лазерних діодів з резонатором Фабрі - Перо ширина спектра значно вже (порядку 1…4 нм) і ще менша для РІС — і РБО — лазерних діодів, у залежність від конструкції вони можуть складати 0,1… 0,3 нм. Мінімальна ширина спектра буває у лазерних диодах з зовнішніми резонаторами, які мають вона у залежність від типу резонатора лежать у межах 1…1500 кГц.

Для високошвидкісних ВОСП важливого значення мають динамічні властивості лазерних діодів, які проявляються залежно спектральною характеристики від швидкості передачі при безпосередньої модуляції потужності випромінювання шляхом зміни струму накачування. У одномодового лазерного діода з резонатором Фарби — Перо збільшення швидкості передачі супроводжується зміною модового складу, які характеризуються динамічним розширенням спектра до 10 нм при модуляції із частотою порядку 1…2 Ггц .Для РІСі РБО-лазерных діодів при модуляції буде в діапазоні 0,25…2 Ггц має місце лише незначний зрушення (порядку 0,2 нм) при сохранениии високого рівня придушення побічних мод. Поэтому ці лазерні діоди часто називають динамічно одномодовыми.

Быстродействие джерел випромінювання оцінюється часом наростання і часом спаду потужності випромінювання при модуляції імпульсами струму накачування прямокутної форми достатньої тривалості ().Для оцінки й зазвичай використовують рівні 0,1 і 0,9 від встановленого значення мощности. Часто швидкодія визначається максимальної частотою модуляции. Для світлодіодів ця частота може становити 200 МГц, а й у лазерних діодів — значно більше (кілька Ггц).Ограничение частоти модуляції світлодіодів пов’язаний із времененм життя неосновних носіїв, а лазерних діодів — з кореляцією між концентрацією инжектируемых носіїв і потоком фотонів, що виникають унаслідок їх рекомбинации.

К параметрами, визначальним статичний режим роботи напівпровідникового излучательного діода, відносять падіння напруги на диоде і струм накачування з прямою смещении. Кроме цих параметрів статичний режим роботи характеризується ватт-амперной характеристикою. На ватт-амперной характеристиці лазерного діода можна виділити точку излома, которая визначається пороговою струмом накачування Iпор. При токах накачування вище порогового лазерний діод працює у режимі індукованого випромінювання та потужність її дуже швидко зростає зі збільшенням струму накачки. Если струм накачування менше порогового, то прилад працює у режимі спонтанного випромінювання і випромінювана потужність мала. Одновременно різко зменшується швидкодію і істотно розширюється ширина випромінюваного спектра. Поэтому лазерні діоди в динамічному режимі роботи вимагають початкового усунення постійним током, примерно рівним пороговому току. Наклон галузі ватт-амперной характеристики лазерного диода, расположенной правіше Iпор, характеризує диференціальну квантову ефективність д=dP/dIн, которая залежить від конструкції приладу та її температуры. Типичные значення диференціальної квантової ефективності лазерних діодів становлять 0,1…0,2 мВт/мА, а граничний струм лежать у межах 10…100 мА.

Для лазерних діодів характерна температурна залежність порогового струму і диференціальної квантової эффективности. С зростанням температури граничний струм увеличивается, а диференційна квантова ефективність уменьшается. Изменение температури наводить також до зміни довжини хвилі излучения. Наибольшей температурної нестабільністю мають лазерні діоди з резонатором Фабри-Перо.Лазерные діоди з РІСі РБО-резонаторами більш термостабильны. Для зменшення температурних впливів застосовують спеціальні заходи, наприклад використовують теплоотводы з елементом Пелтье. Параметры і характеристики світлодіодів мають досить високий температурну стабильность, что зробила їх простішими в эксплуатации.

Надежность напівпровідникових випромінювачів визначається напрацюванням відмовитися чи інтенсивністю отказов. Лазерные діоди, створені на початку 1980;х годов, обладали значно нижчою надійністю порівняно з светодиодами. Однако за останнє час завдяки вдосконаленню конструкцій і технології виготовлення її вдалося значно підвищити довести до прийнятною величины.

Список литературы

Шашло М. В. Джерела випромінювання в интегрально-оптических схемах.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.