3.2.1. Конструкции светодиодов для оптической связи
Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый прибор с p - n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.
3.2.1. Конструкции светодиодов для оптической связи
В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 3.1) и торцевой (рисунок 3.2).
Рисунок 3.1. Конструкция поверхностного светодиода
В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.
Рисунок 3.2. Конструкция торцевого светодиода
В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.
3.2.2. Принцип действия светодиодов
Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:
(3.2)
При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).
3.2.3. Основные характеристики светодиодов
Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3. Ваттамперные характеристики светодиодов
Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.
Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться [8].
Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)
Рисунок 3.4. Спектральные характеристики светодиодов
По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Dl1 (около 10 ¸ 30 нм), для поверхностного СИД Dl2 (около 30 ¸ 60 нм).
Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.
Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 3.5)
Рисунок 3.5. Угловая расходимость излучения
Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (РМАКС /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины j x » j y и могут составлять 110° ...180°. Для СЛД величины j x и j y не равны и примерно составляют: j x » 60 °, j y » 30
Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации
(3.3)
В [3, 8, 13] показано, что эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе "полупроводник – воздух" и "полупроводник – световод" из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).