9.1.1. Светодиоды

9.1.2. Лазерные диоды

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×l_s²×cosα /A_s =L₀×cosα [Вт/)стерадиан*м²] (9.2),

I(α) = ψ₀×l_s²×cosα = I₀cosα [Вт/м²] (9.3),

P = [Вт] (9.4),

где α – угол обзора, ψ₀ – плотность потока излучения на оси и l_s – 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 E_g и равна:

λ₀ = hc/E_g = 1.24/E_g (9.5),

где h = 6,63×10^-34 Дж*сек. –постоянная Планка, c = 3×10⁸ м*сек^-1, E_g – 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.

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.

9.1.2. Лазерные диоды

Принципиальным отличием лазерных диодов от светодиодов является наличие в них встроенного оптического резонатора и значительно большее значение тока, называемого током накачки. В лазерных диодах фотоны в основном генерируют посредством стимулированной (вынужденной) эмиссии, заключающейся в том, что фотоны, созданные в результате спонтанной эмиссии, вызывают генерацию дополнительных фотонов путем стимулирования дополнительных рекомбинаций, а те в свою очередь создают дополнительные фотоны, при этом грани кристалла представляют собой полупрозрачные зеркала, ограничивающие объем резонатора.

Физически процесс лазерного излучения заключается в следующем. Если к р- и n-области приложить, соответственно, положительный и отрицательный полюсы источников тока, то дырки начнут инжектировать в область р, а электроны в область n, перемещаясь к активному слою, находящемуся между слоями материала, имеющего большую ширину запрещенной зоны. В результате по обе стороны активного слоя вблизи поверхности возникнут потенциальные барьеры, и находящиеся в нем почти все дырки и электроны рекомбинируют, излучая свет с длиной волны, практически соответствующей ширине запрещенной зоны. При токе инжекции, меньшем I_п, в лазерном диоде возникает только спонтанное излучение, аналогичное излучению светодиода. Так как активная область типовых лазерных диодах (ширина, высота и длина активной зоны составляют, соответственно, 5…10 мкм, 0,1…0,2 мкм и 300 мкм,) значительно меньше, чем у светодиодов, то и выходная оптическая мощность при работе лазерного диода в условиях спонтанного излучения получается меньше, чем у светодиода (рис. 9.6.). При достижении током порогового значения (I₀ ~ 50…150 мА) выходная оптическая мощность быстро растет и достигает от -5 до +20 дБм. При передаче по ОВ информации в дискретной (цифровой) форме значение рабочего тока через светодиод должно быть выбрано в интервале между точками а и d (рис. 9.6), а при передаче аналоговой информации – приблизительно в середине диапазона а-b. Значение рабочего тока для лазерного диода выбирается между точками f и e или d (рис. 9.6) при передаче информации в дискретной форме, а при передаче аналоговой информации – вблизи точки е.

Распределение интенсивности излучения лазерных диодов (рис. 9.7.) описывается функцией Гаусса, которая имеет вид:

I(r) = I₀ exp [-r² / w² ] (9.6),

где I₀ –интенсивность в центре луча, w –радиус луча.

Рис. 9.6. Изменение выходной оптической мощности Р в зависимости от силы тока инжекции I для светодиода (1) и лазерного диода (2)

Рис. 9.7. Гауссовское излучение в лазере

В ВОСПИ используются различные типы лазерных диодов (или просто лазеров), которые отличаются конструкцией, длиной волны излучения, частотными характеристиками, режимом работы (одномодовый или многомодовый) и т.д. Основные требования к подобным лазерам и модулям на сегодняшний день следующие:

• динамически одночастотный режим работы;
• лазеры с фиксированными длинами волн в области 1525…1560 нм;
• спектральные интервалы между каналами должны составлять 0,4 или 0,8 нм, в то время как в 2000г. еще только планировали интервалы от 3,5 до 5 нм;
• точность расположения рабочих длин волн ~ 0,1 А;
• спектральная ширина линии менее 1 МГц;
• мощность излучения одночастотного лазера ~ 1…10 мВт;
• линейность ватт-амперной характеристики до 10 мВт;
• вывод излучения через одномодовый световод на данную длину волны;
• степень подавления боковых мод не менее 30 дБ;
• одночастотный спектр излучения в широком интервале температур и тока накачки;
• ресурс работы ~ 10⁵ час.

Так как длина полупроводникового лазера много больше длины волны излучения, то существует множество резонансных продольных мод. К многомодовой генерации ведут также высокочастотная прямая модуляция (из-за изменения концентрации носителей вследствие переходных процессов) и влияние спонтанного излучения, причем спектральная ширина линии тем уже, чем меньше доля спонтанного излучения над вынужденным. Следовательно, для получения одночастотного режима генерации в широком интервале токов накачки и сужения ширины линии генерации, необходимо осуществлять селекцию мод, которая обычно реализуется за счет: внешних дифракционных решеток, изготовления лазеров с распределенной обратной связью или использования брэгговского распределенного отражателя. Дифракционная решетка представляет собой зеркало, на которое нанесены бороздки с очень малым расстоянием (периодом d) между ними.

Введение дифракционной решетки в полупроводниковый лазер обеспечивает воздействие на оптические характеристики выходного излучения, позволяя перестраивать и стабилизировать длину волны излучения путем выбора периода решетки и угла падения излучения, соотношение между которыми связано условием Брэгга:

mλ = 2 d Sinθ (9.7),

где m – порядок отражения, d – период решетки, θ – угол падения излучения.

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Полупроводниковый лазер с внешней дифракционной решеткой

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Варьируя период дифракционной решетки, можно обеспечить одночас-тотный режим генерации на выбранной длине волны.

Рис. 9.9. Полупроводниковые лазерные диоды: а) с распределенной обратной связью, б) с распределенным брэгговским отражателем

В лазерах с обратной связью и с брэгговским распределенным отражением обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, образуется за счет периодического изменения ПП внутри оптического волновода. В лазерах с распределенной обратной связью область усиления находится в среде с периодическим изменением ПП (рис. 9.9 а). В этом случае предпочтение будет отдано той длине волны, при которой имеет место усиливающаяся интерференция небольших отражений за счет периодического изменения ПП. В лазерах с распределенным брэгговским отражением периодическая среда расположена на краях области усиления (рис. 9.9.б).

Период структуры должен удовлетворять условиям Брэгга (6.11):

Λ = lλ₀/(2n_эфф.) (9.8),

где l – длина решетки.

На рис. 9.10 приведена конструкция одночастотного полупроводникового лазера, в котором стабилизация излучения достигается за счет использования волоконной брэгговской решетки (ВБР), записанной в одномодовом ОВ.

Рис. 9.10. Схема стабилизации излучения полупроводникового лазерного диода с помощью волоконного брэгговского отражателя: 1 – лазерный диод, 2 – волоконный световод, 3 – брэгговская решетка

В этой схеме ВБР играет роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генерацию одной продольной моды лазера, длина волны которой находится в контуре отражения решетки. На рис.9.11 приведен спектр излучения лазера без внешнего резонатора (а) и с внешним резонатором на основе ВБР (б).

Рис. 9.11. Спектр излучения лазерного диода: а) – без внешнего резонатора, б) – с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки

Меняя параметры ВБР можно изменять длину волны излучения лазеров, которые используются в системах со спектральным уплотнением каналов. Кроме того, в зависимости от параметров решетки и расстояния между ней и лазерным кристаллом возможно создание одночастотного и многочастотного режимов лазерной генерации. Так как температурная чувствительность λ_бр. примерно на порядок ниже, чем чувствительность длины волны лазеров, такая конфигурация позволяет в ряде применений обойтись без температурной стабилизации лазера. Описанная схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров применяется для создания одномодовых лазеров накачки, а также источников излучения как альтернатива лазерам с распределенной обратной связью, рассмотренных выше (рис. 9.9 а).