Предыдущая Оглавление Следующая

4.2 СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ (СИД)

Светодиод – это излучающий полупроводниковый прибор с p-n-переходом, протекание через который электрического тока в прямом направлении вызывает интенсивное некогерентное излучение.
У СИД излучение спонтанное, некогерентное и неполяризованное.
Малые размеры полупроводниковых светодиодов отличают их от ламп накаливания – СИД почти точечный источник света с площадью кристалла (0,25х0,25) – (0,5х0,5)мм2.
Светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2– 4В и токе 10 – 30мА электрическая мощность варьируется от 20 до 120мВт. При КПД в 5 – 25% в виде света излучается 1 – 30мВт (сила света 1 – 30кд). Для сравнения – миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении 12В и токе 50 – 100мА.

4.2.1 Принцип действия СИД

Как упоминалось выше, у СИД применяются в основном прямозонные полупроводники, такие как GaAs, InAs, InP или твёрдые растворы на их основе типа Ga1-xAlxAs. Указанные соединения излучают свет с длиной волны λ=0,85мкм. Если выращивать на подложке InP четырёхкомпонентное химическое соединение, например InxGa1-xAsyP1-y, то в зависимости от отношения долей x и y (0≤x≤0,37, 0≤y≤0,43) светоизлучение будет изменяться в диапазоне длин волн λ=1,3–1,55мкм, так как в соответствии с соотношением компонентов изменяется энергия запрещённой зоны Ез.
Физической основой СИД является инжекционная люминесценция. Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трёх основных процессов:

Рассмотрим эти процессы подробнее.
Инжекция. Использование двойной гетероструктуры в СИД обеспечивает локализацию инжектированных зарядов в базе при уменьшении её толщины d вплоть до нескольких микрометров и приводит к повышению быстродействия по сравнению с приборами с односторонней гетероструктурой.
Излучательная рекомбинация. В простейшем случае электроны зоны проводимости рекомбинируют с дырками, находящимися в валентной зоне. При этом энергия, примерно соответствующая ширине запрещённой зоны, выделяется в виде электромагнитного излучения из полупроводника.
Вывод излучения. Конструкция СИД выбирается с таким расчётом, чтобы уменьшить собственное перепоглощение излучения, обеспечить режим работы при высокой плотности тока и увеличить эффективность ввода излучения в волокно. В ВОЛС применяются две конфигурации диодов: с торцевым (рисунок 4.5,а,б) и боковым (рисунок 4.5,в) излучением.

Структура продольного сечения СИД
Рисунок 4.5 – Структура продольного сечения СИД с торцевым (а, б) и боковым (в) излучением

В первой конфигурации используется двойная гетероструктура. Фотоны, родившиеся в результате рекомбинации носителей в узкозонном слое d, покидают его, распространяясь в поперечном направлении. Прежде чем дойти до поверхности излучателя, фотоны испытывают значительное отражение от поверхности раздела «полупроводник – внешняя среда». По такой технологии изготовляются самые простейшие излучатели, которые используются в устройствах, где не требуется большая оптическая мощность.
Повышение эффективности ввода излучения в оптическое волокно может быть обеспечено созданием углубления в кристалле для приближения торца волокна к активной области (рисунок 4.5,а) или с помощью прозрачной полусферы (рисунок 4.5,б). В последнем случае кристалл покрывается выпуклым или плоским пластмассовым колпачком размерами 3–10мм. Показатель преломления пластмассы выбирается так, чтобы увеличить коэффициент вывода излучения ηo. Конструкция колпачка обеспечивает фокусировку излучения в нужном телесном угле 5–45°. Излучаемые световые кванты должны выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле с минимальным поглощением их внутри прибора. Держатель кристалла отводит тепло от активной области.
У СИД с боковым излучением (рисунок 4.5,в) вывод спонтанного излучения происходит через внутренний волновод. В этой конфигурации обеспечивается распространение рождающихся фотонов из узкозонного слоя d к боковой поверхности. Для оптической волны он представляет собой отрезок диэлектрического волновода, поскольку обеднённый слой обладает более высоким значением диэлектрической проницаемости по сравнению с окружающими его материалами. Поэтому на его границах выполняются условия полного внутреннего отражения. Потери на отражение от границы раздела полупроводник – внешняя среда (воздух) и потери при распространении до неё в материале излучателя в этом случае существенно меньше. Боковые размеры излучающей области подгоняются под размеры сердцевины волокна, но обычно составляют 20 – 40мкм.

4.2.2 Характеристики СИД

Свойства СИД с точки зрения их применения характеризуются:

Мощность излучения. Мощность излучения СИД зависит от тока инжекции. Зависимость мощности, излучаемой оптическим источником, от тока, протекающего через его p-n-переход, называется ватт-амперной характеристикой (рисунок 4.6).

Структура продольного сечения СИД
1–с боковым излучением; 2–с торцевым излучением
Рисунок 4.6 – Ватт-амперные характеристики СИД

Следует отметить, что СИД не очень чувствительны к перегрузкам, обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции, что обуславливает широкое применение СИД в линиях связи с аналоговыми методами модуляции. Типичный ток инжекции 100 – 200мА, выходная мощность 1 – 5мВт.
Диаграмма направленности. Диаграмма направленности излучения показывает изменение интенсивности излучения в зависимости от направления, откуда ведётся наблюдение света. Она является важной характеристикой для волоконно-оптических приложений. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в волокно. Чем уже выходная диаграмма, тем большая часть света может попасть в волокно. Хорошие источники должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру. Диаметр выходного пучка определяет величину его поперечного сечения. Апертура определяет диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие характеристики волокна, в которое вводится свет, некоторая часть излучения теряется и не попадает в волокно. На рисунке 4.7 представлена типичная диаграмма излучения СИД. Углы расходимости составляют 30 – 40о на уровне половинной мощности.

Структура продольного сечения СИД
Рисунок 4.7 – Диаграмма направленности оптического излучения СИД

Диаграмма направленности зависит в основном от конструкции и материала корпуса СИД и формы оптической линзы.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения считается длина волны λ0, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина. Диоды не являются идеально монохроматическими, они излучают в некотором диапазоне длин волн. Этот диапазон известен как спектральная ширина источника. Он определяется на 50%-м уровне мощности относительно максимума, соответствующего центральной длине волны λ0 (рисунок 4.8).

Спектральная характеристика СИД
Рисунок 4.8 – Спектральная характеристика СИД

Например, если источник имеет длину волны излучения λ0=850нм и спектральную ширину Δλ=30нм, то его выходное излучение занимает диапазон от λН=835нм до λВ=865нм, а при λ0=1300нм имеет спектральную ширину Δλ=90нм (λН=1255нм, λВ=1345нм).
Материальная дисперсия примерно равна D=0,1пс/(км*нм). Использование СИД со спектральной шириной Δλ=30нм приводит к дисперсии 3пс/(км*нм), что достаточно много.
Как правило, спектральная ширина не сказывается на качестве линии длиной в несколько километров, работающей на частотах до 100МГц. Она является критическим параметром для высокоскоростных протяжённых одномодовых оптических систем. В этом случае спектральная ширина ограничивает скорость передачи информации.
Быстродействие. Скорость включения и выключения источника должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Она определяется временем нарастания τнар и временем спада τспад сигнала (рисунок 4.9).

Время нарастания является очень важным параметром в электронике и волоконной оптике, поскольку оно ограничивает скорость работы системы.
Для оценки τнар и τспад сигнала обычно используют уровни 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности.

Спектральная характеристика СИД
Рисунок 4.9 – Форма импульса и время нарастания

Времена нарастания и спада позволяют получить информацию о полосе пропускания Δf оптической линии в целом. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить по приближенной формуле

из которой следует, что время нарастания в несколько наносекунд приводит к значениям ширины полосы пропускания в десятки и сотни мегагерц. Например, время нарастания τнар=5нс позволяет работать в полосе Δf=70МГц, а время нарастания τнар=1нс – в полосе Δf=350МГц.
Часто быстродействие источников излучения оценивается максимальной частотой модуляции fmax. Для СИД эта частота может достигать fmax = 200МГц. Ограничение частоты модуляции СИД связано со временем жизни неосновных носителей.
Срок службы. По мере эксплуатации источника излучения его характеристики постепенно ухудшаются – падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя d. Надёжность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ. Наработка на отказ СИД составляет 50 тыс. часов и более (до 8 лет). Гарантируемое время службы источника определяется уровнем 50% (3дБ) уменьшения выходной мощности.

Предыдущая Оглавление Следующая