4.6.3. Особенности источников и приемников излучения в волоконной и интегральной оптике

Основными источниками излучения, используемыми в интегральной и волоконной оптике, являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, рассмотренные в первой главе. Светодиоды — дешевые и простые в управлении приборы — применяют в тех случаях, когда не нужны большие мощности излучения, пространственная направленность и узкая спектральная полоса излучения, например, в коротких (длиной до нескольких метров) многомодовых ВОЛС. Более универсальны полупроводниковые лазеры с p-п-переходами, обладающие малыми размерами, простой конструкцией, высокой надежностью и позволяющие осуществлять непосредственную высокочастотную модуляцию излучения.

Стремление повысить эффективность ввода излучения в световод микрометрических размеров привела к разработке диодной структуры, у которой активная излучающая область представляет собой узкую полоску (шириной 5—25 мкм) с зеркальными торцевыми гранями, что необходимо для создания оптической обратной связи (рис. 4.15,а). Полосковые лазеры предпочтительнее как с точки зрения оптической стыковки со световодом (поскольку излучение выходит через малую торцевую грань), так и для уменьшения порогового тока (из-за малой площади диодной структуры).

Подпись: Рис. 4.15. Схематическое изображение интегрально-оптических лазеров: 
а — полоскового   типа,   б—с   брэгговскими   отражателями,   в — с   распределенной обратной связью

Применяемые в интегральной и волоконной оптике лазеры обычно представляют собой многослойные гетероструктуры на основе тройных или четверных полупроводниковых соединений (см. 1.2.5). В гетероструктурах можно сделать так, что кроме эффективной инжекции неосновных носителей активная область малых размеров оказывается расположенной между слоями с меньшим показателем преломления, становясь, таким образом, волноводом, ограничивающим оптическое поле. Это приводит к тому, что, например, в гетероструктурах на GaAlAs плотность порогового тока составляет 1·102—1·103 А/см2, а не 1·104—1·105 А/см2, как у гомопереходных лазерных диодов.

Гетеролазеры интересны также возможностью управления спектральным составом излучения в процессе их изготовления. Излучение GaAs лазера (0,92 мкм) приходится, к сожалению, на полосу поглощения стеклянного световолокна (см. рис. 4.13). Если использовать гетероструктуру на основе GaAlAs, полоса излучения сдвигается в коротковолновую область. Часто используется состав, соответствующий излучению в области 0,85 мкм, где в спектре затухания боросиликатных стекол имеется относительный минимум. Еще привлекательнее область 1,2—1,3 мкм, где не только меньше потери в стекловолокне, но и практически отсутствует хроматическая (материальная) дисперсия.

Гетероструктуры на основе GaAlAs могут излучать только в области длин волн, меньших 0,92 мкм, т. е. для области 1,2—1,3 мкм они неприменимы. Принципиально для этого подходят соединения GalnAs, однако несоответствие кристаллических решеток GaAs иInAs приводит к возникновению дефектов структуры и, как следствие, к низкой эффективности излучательной рекомбинации и значительному оптическому поглощению. С подобными трудностями связано также создание гетероструктуры на основе GalnP, GaAsSb и др. В связи с этим более перспективны для излучения 1,2—1,3 мкм четверные соединения GalnAsP, GaAlAsSb и др. Хотя технология их изготовления более сложная, введение четвертого элемента позволяет создавать гетероструктуры с минимальным несоответствием кристаллических решеток слоев. Например, эффективное излучение гетероструктур GalnAsP получено не только для области 1,2—1,3 мкм, но и 1,55 мкм, т. е. там, где потери в стекловолокне минимальны (см. рис. 4.13).

Описанная технология и используемые для лазерных и светоизлучающих диодов материалы применимы также для изготовления плоских волноводов, фотоприемников, модуляторов, других интегрально-оптических элементов, а также электронных компонентов (диодов, транзисторов и т. п.). Однако при их объединении в монолитную интегрально-оптическую схему возникают трудности, связанные с созданием в планарном гетеролазере зеркальных торцевых поверхностей, образующих оптический резонатор. Использование ультразвуковой техники для образования микросколов, получение мезаструктур с вертикальными боковыми поверхностями методами эпитаксии, химического травления и т. п., как правило, не приводит к желаемым результатам. Проблема находит свое решение в применении для оптической обратной связи не зеркальных граней кристалла, а отражающих дифракционных решеток, созданных в самом волноводном слое (см. 4.4.2). Распространены два типа основанных на этом принципе лазеров — с распределенными брэгговскими отражателями (РБО-лазер) и с распределенной обратной связью (РОС-лазер).

В РБО-лазере брэгговские зеркала расположены по обе стороны активной области, в которой создается инверсная населенность за счет инжекции неосновных носителей (рис. 4.15, б). Дифракционные решетки создаются путем гофрирования поверхности раздела между слоями гетероструктуры. Хотя дифракционная решетка отражает множество мод, практически только одна такая мода оказывается в спектре излучения полупроводникового лазера. При этом часто используют отражение моды не первого, а третьего порядка дифракции. Гофрированные участки можно сделать неодинаковой длины, обеспечивая тем самым вывод излучения только в одном направлении (в волновод, примыкающий к РБО-лазеру). Создавая последовательность нескольких решеток с различающимся периодом (шагом), можно получить лазер с частотным мультиплексированием.

В РОС-лазере гофрированные участки волновода совмещены с активной областью, т. е. в самой области, где создается инверсная населенность, действует оптическая обратная связь (рис. 4.15, в).

Как РБО-, так и РОС-лазеры кроме планарной конструкции имеют ряд преимуществ перед лазерами с отражающими торцевыми поверхностями. Они обеспечивают более точную настройку на нужную длину волны и более узкую полосу излучения (0,05—0,01 нм). Последнее особенно важно, поскольку частотный диапазон модуляции оптического сигнала, распространяющегося в волноводе, зачастую ограничен именно спектральной шириной полосы источника излучения (см. 4.5.1).

В отличие от источников света, фотодетекторы, используемые в волоконной и интегральной оптике, имеют меньшие особенности по сравнению с известными полупроводниковыми приборами. В основном это смещенные в обратном направлении быстродействующие структуры: р-п-гомо- или гетеропереходы, диоды Шоттки, p-i-n- и лавинные фотодиоды, фототранзисторы (см. 1.1.6). При их оптическом соединении со световолокном не так критично совпадение геометрических размеров; важно только, чтобы площадь фотодетектора не была заметно меньше сечения световолокна. Во всех случаях следует все же стремиться к минимальной площади фотодиода, так как его емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту устройства.

Фоточувствительные полупроводниковые структуры относительно просто соединяются с интегрально-оптическими волноводами, если те и другие создавать на базе полупроводниковых соединений А3В5. Фотодетектор можно создавать, в частности, в самом полосковом волноводе, для чего на соответствующем его участке наносят металл, образующий с материалом волновода запирающий барьер. Свет, распространяющийся в волноводе, падает на диодную структуру в поперечном направлении, а не нормально к плоскости перехода, и если, кроме того, толщина обедненного слоя близка к толщине волновода, достигается высокая квантовая эффективность фотопреобразования (близкая к 100%). Распространение света без потерь в волноводе и его поглощение в таком «волноводном» детекторе происходит за счет сдвига края поглощения света в сторону больших λ под действием сильного поля, локализованного в обратносмещенной структуре (уже упоминавшийся эффект Франца — Келдыша).

Другой метод монолитной интеграции плоского волновода с фотодетектором основывается также на гетеротехнологии: на участке волновода вытравливают углубление, в котором затем выращивают материал с меньшей шириной запрещенной зоны и легируют его так, чтобы образовалась выпрямляющая структура (например, в волноводе из GaAs создается фотодиод на основе GalnAsP). Высоким быстродействием (несколько десятков пикосекунд) обладают фоторезисторы на основе эпитаксиальных пленок GaAlAs, GalnAs, AlInAs. Для области 0,8—1,1 мкм основными являются кремниевые фотодетекторы, которые, однако, соединяются с интегрально-оптической схемой методами гибридной технологии.

Назначение лазерных диодов, в том числе и в интегрально-оптическом исполнении, не ограничивается только генерированием оптического излучения. Уровень инжекций можно сделать достаточным для создания инверсии населенности, но недостаточным для генерации, и тогда луч, прошедший через активную среду, усилится (регенеративный усилитель). Очевидно, усиление света будет происходить и при его прохождении через активную среду без резонатора (усилитель бегущей волны). И в том, и в другом случае одновременно с усилением света произойдет уменьшение концентрации электронно-дырочных пар, т. е. ток через диод уменьшится. Знак такого «отрицательного» фотоэффекта противоположен знаку фотоэффекта, наблюдаемому при нулевом или обратном смещении диода или же при малых прямых токах, не обеспечивающих инверсии. Лазерный диод, таким образом, может использоваться по крайней мере в трех качествах: генератора оптического излучения с возможностью внутренней модуляции, усилителя по оптическому каналу, а также быстродействующего фото приемника. На этом основывается работа линии двусторонней передачи с идентичными оконечными устройствами и ретрансляторами.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.