Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

         На рис. 1.2 показано, что в простейшей ВОСПИ одними их основных компонентов являются источник оптического излучения, ОВ и фотоприемник. Однако реально помимо этих компонентов очень важное значение имеют и другие элементы, которые рассматриваются в данной главе.

9.1. Источники оптического излучения.

         Наиболее распространенными источниками излучения являются полупроводниковые светодиоды (LED – Light Emisson Diod) и лазерные диоды (LD - Laser Diod). Выбор источника излучения определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы и диапазону рабочих температур. Как в светодиодах, так и в лазерных диодах генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов. В волоконной оптике используются только те из них, которые отвечают требованиям ВОСПИ: длины волн излучения должны лежать вблизи окон прозрачности кварцевых ОВ(0,85; 1,3 и 1,55 мкм), мощность излучения должна быть не менее 1 мкВт и т.д.

9.1.1.Светодиоды

Рис.9.1. Структура простейшего светодиода: 1 – активная область, 2 – металлические контакты

Светодиоды использовались, главным образом на первом этапе развития ВОСПИ. Они были достаточно надежны и дешевы, но обладали большой числовой апертурой и большой площадью излучения. Поэтому для эффективного ввода излучения в волокно светодиоды применялись для многомодовых ОВ. На рис. 9.1. приведена структура простейшего светодиода.

Фотоны образуются за счет рекомбинации электронов и дырок в так называемой активной зоне, расположенной возле р-n перехода. При пропускании тока в направлении Е электроны дырки перемещаются к границе p-n-перехода навстречу друг другу, а образовавшиеся фотоны распространяются в самых различных направлениях, показанных стрелками. Излучение светодиода носит характер ламбертовского источника света (рис. 9.2).

Рис. 9.2  Полусфера ламбертовского источника излучения (светодиод)

Принимая во внимание, что диаметр излучающей поверхности значительно меньше расстояния, на котором производят измерения, поверхностную плотность потока излучения ψ(ά), яркость L(ά), интенсивность излучения I(ά) и мощность источника излучения определяются следующими уравнениями:

ψ(α) = ψ0cosα       [Вт/м2]                           (9.1),

L(α) = ψ0×ls2×cosα /As =L0×cosα [Вт/)стерадиан*м2]            (9.2),

I(α) = ψ0×ls2×cosα = I0cosα [Вт/м2]            (9.3),

P =  [Вт]                           (9.4),

где α – угол обзора, ψ0 – плотность потока излучения на оси и ls – расстояние между источником и детектором (радиус сферы). Из данных выражений видно, что параметры светового излучения в дальней области определяются функцией косинуса.

         Процесс генерации света в светодиоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией , равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большой энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме того, большая запрещенная зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозачными для излучаемых волн. Центральная длина волны λ0 излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической зоны Eg и равна:

λ0 = hc/Eg = 1.24/Eg                                             (9.5),

где h = 6,63×10-34 Дж*сек. –постоянная Планка, c = 3×108 м*сек-1, Eg – энергия запрещенной энергетической зоны материала активного слоя, выраженная в эВ. В таблице 9.1 приведены значения запрещенной энергетической зоны и длины волн излучения светодиодов с различным составом активного слоя.

Таблица 9.1. Длины волн излучения различных материалов.

Материал активного

           слоя

Запрещенная энерге-

тическая зона, эВ

Длина волны излуче-

         ния, мкм

GaP

GaAs

InP

AlGaAs

InGaAsP

           2,24

            1,42

            1,33

     1,42…1,61

      0,72…1,13

           0,55

            0,87

            0,93

        0,77…0,87

         1,1…1,67

Светодиоды подразделяются на светодиоды с поверхностным и торцевым излучением. Большинство светодиодов с поверхностным (близким к ламбертовскому) излучением, когда оно выходит из вытравленного углубления наружу и распространяется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис. 9.3), имеет числовую апертуру, равную приблизительно 0,9.

Рис. 9.3. Структуры коротковолнового светодиода (λ=0,85 мкм) с поверхностным излучением

Для ее уменьшения во многих случаях используется особая форма линз, доводя NA до 0,2, но даже в этом случае излучающая поверхность достаточна велика для эффективного ввода излучения в одномодовое волокно. Уровень мощности света, вводимого в волокно, в лучшем случае обычно составляет 20 мкВт для градиентного многомодового ОВ и 2 мкВт для одномодового ОВ. Лучшей эффективностью ввода излучения в волокно характеризуется 187          светодиоды с торцевым излучением (рис. 9.4), обеспечивающие ввод около 50 мкВт (30% доступной оптической мощности) в градиентное многомодовое  волокно и 20 мкВт в одномодовое ОВ. Диаметр излучающей площадки достигает 50…60 мкм.

Рис.9.4. Структура длинноволнового светодиода (λ=1,3 мкм) с торцевым излучением

Рис. 9.5. Спектры излучения светодиода, генерирующего свет с длиной волны: а) – 0,85 мкм и б) – 1,3 мкм

Спектр излучения светодиода непрерывный, причем ширина его относительно велика (рис. 9.5). Типичное значение полуширины спектра для светодиода, генерирующего свет с длиной волны 1,3 мкм, почти в 2 раза больше, чем для светодиода, генерирующего свет на λ = 0,85 мкм. Повышение температуры приводит к снижению оптической мощности на выходе (на ~ 0,8% при повышении температуры на 10С).

С точки зрения применения светодиодов в ВОСПИ они имеют рад недостатков, основными из которых являются:

сравнительно низкая полоса частот, равная 100 МГц (хотя были сообщения о полосе частот, равной 1 Ггц). Поэтому быстродействие светодиодов как минимум в 5 раз ниже по сравнению с лазерами;

широкий спектр излучения, составляющий около 60 нм, что также снижает полосу частот вследствие хроматической дисперсии;

низкая эффективность ввода излучения в оптическое волокно, даже для диодов с торцевым излучением.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что в настоящее время светодиоды применяются в ВОСПИ с небольшой скорость передачи и используют многомодовые ОВ.



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