Лекция 2 (Шесть лекций), страница 2

В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, что приводит к возникновению кванта оптического излучения с энергией hν=E_з, где E_з - ширина запрещенной зоны. Область полупроводника, где происходит основная часть актов рекомбинации, называется активной областью.

Простейший ЛД выполняется на основе одного вида полупроводника GaAs или InP и представляет собой параллелепипед с p-n-переходом. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора.

Рис.6. Структура лазерного диода: 1, 2 – полупроводниковый материал р- и n- типа,
3- грани, выполняющий роль зеркал оптического резонатора.

При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции (накачки) возрастает, достигая порогового значения I_пор, полное оптическое усиление в структуре становится равным потерям и возникает генерация лазерного излучения.

Центральная длина волны λ₀ излучения определяется шириной запрещенной зоны:

;

Примеры материалов, используемых для изготовления пп лазеров

Разновидности инжекционных лазеров.

Лазеры на однородных полупроводниках характеризуются очень высокими значениями порогового тока. Поэтому в настоящее время ЛД изготавливаются в основном на основе двойных гетероструктур (гетеропереходов) (ДГС). В них сверхтонкая активная область находится между двумя гетерограницами. Именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности.

Гетеропереходом называется граница раздела между двумя различными полупроводниками, образующими единый кристалл. Важнейшее отличие гетеропереходов от простых p–n-переходов связано со скачкообразным изменением ширины запрещенной зоны на границе раздела двух полупроводников.

Рис. 7 Структура двойного гетероперехода

В ДГС узкозонный активный слой с обеих сторон заключен между широкозонными эмиттерами. Поэтому в ДГС имеет место ограничение как неосновных, так и основных носителей заряда.

Кроме того, так как показатель преломления узкозонного материала выше, чем широкозонного, часть лучей внутри активного слоя испытывает полное внутреннее отражение на гетерограницах. Это явление называют эффектом оптического ограничения.

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским отражением, с внешним резонатором.

Рис. 8. Основные типы лазерных диодов: а) лазер с резонатором Фабри-Перо; б)лазер с распределенной обратной связью, DFB лазер; в) лазер с распределенным брэгговским отражением, DBR лазер; г) лазер с одним внешним резонатором, ЕС лазер.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы у этих двух лазеров довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 9а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 9б). Периодическая структура влияет условия распространения и характеристики излучения и позволяет получить излучение в очень узком спектральном диапазоне.

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку - это эквивалентно изменению шага решетки - можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм.

Выпускаются одномодовые лазеры в диапазонах
1,3 и 1,55 мкм с мощностью до 5…50 мВт и многомодовые с мощностью до 500…3000 мВт.

Светодиоды

Если в конструкции ЛД принять меры к тому, чтобы не возникали лазерные колебания (просветление одного из зеркал, протравливание щели у одного из зеркал), получим светоизлучающий диод (СИД, LED) с торцевым излучением или суперлюминисцентный СИД. Толщина активного слоя делается больше, чем у ЛД, что приводит к более высокому току генерации, поэтому устройство работает в допороговом режиме, т.е. в режиме светодиода.

Поскольку резонатор теперь не является необходимой частью прибора, излучение можно выводить и перпендикулярно плоскости перехода.

Рис.9. Поперечный разрез СИДа с излучающей поверхностью (а) и с излучающим срезом.

Основные характеристики ЛД и СИД

Ватт-амперная характеристика – зависимость выходной оптической мощности от тока накачки.

При малых токах, как правило, мощность (яркость) излучения светодиода P_изл пропорциональна протекающему в нем току J:

P_изл = J ,

где  - коэффициент пропорциональности, характеризующий излучательную способность светодиода.

Отношение мощности излучения Р_изл к мощности электриче­ского тока Р_тока, затрачиваемого на возбуждение излучения, назы­вается квантовым выходом светодиода:

К_вых = Р_изл / Р_тока.

Рис. 10. Ватт-амперная характеристика ЛД и СИД.

Для ЛД при токах меньших порогового I_{пор ­} оптическое излучение определяется спонтанными переходами и лазер подобен светодиоду. Вблизи порога возрастает доля индуцированного излучения. Такой режим называют суперлюминесцентным. Спектр излучения в этом режиме – непрерывный, но становится уже.

Крутизна характеристики в лазерном режиме называется дифференциальной квантовой эффективностью η_ЛД = dP/dI

Спектральная характеристика

Рис. 11. Спектры светодиода и лазерных диодов

СИД имеет непрерывный спектр излучения. Ширину спектральной характеристики СИД приблизительно можно определить соотношением

,

где k_B – постоянная Больцмана. Например, при комнатной температуре для λ=1,3 мкм, λ=70 нм.

Для ЛД интервал между отдельными продольными модами (частотами) определяется соотношением

,

где n – показатель преломления полупроводника, L – длина лазерного излучателя. Например, при n=4 (для GaAs) и длине резонатора 500 мкм
f = 75 ГГц, т.е. λ=0,2 нм.

Ширина линии отдельной продольной моды не превышает 0,1 нм. Общая ширина огибающей спектра ЛД составляет примерно 2…5 нм.

Пространственные характеристики

а) б)

Рис. 12. Диаграммы направленности оптического излучения СИД и ЛД

_II, _┴ – угловая ширина диаграммы излучения ЛД в плоскостях параллельной и перпендикулярной плоскости p-n-перехода (измеренная по уровню половинной мощности)

Пример включения СИД в электрическую схему

Рис.13. Схема включения СИД в коллекторную цепь транзистора

Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора. С помощью резисторов R1 и R2 подбирается значение начального тока, протекающего через светодиод.

6. Передающие оптоэлектронные модули

В состав передающего оптического модуля (ПОМ) кроме излучателя (ЛД или СИД) входят электронные схемы накачки и стабилизации режима работы излучателя. Кроме того, в конструкции ПОМ предусмотрено соединение с ОВ. В ряде применений лазерных излучателей требуется термостабилизация лазера, которая осуществляется с помощью термистора для контроля температуры и термоэлектрического холодильника (элемента Пельтье). В состав ЛД обычно входит фотодиод обратной связи, на который падает излучение с грани, противоположной выходному излучению, для стабилизации режима работы лазера.

В быстродействующих ПОМ для устранения влияния обратного света на излучение лазера используется оптический изолятор. Его действие основано на невзаимном повороте плоскости поляризации в результате эффекта Фарадея.

Рис. 14. Структурная схема ПОМ.

Часть 2. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА

Фотоприемник (ФП) это оптоэлектронный прибор для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. В зависимости от механизма такого преобразования все ФП делятся на тепловые и фотонные (фотоэлектрические). При этом фотонные ФП делятся на ФП с внешним и внутренним фотоэффектом.

ФП с внешним фотоэффектом: фотоэлементы, ФЭУ.

ФП с внутренним фотоэффектом: полупроводниковые фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы).

Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения.

Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных и примесных.

Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков – и электронов и дырок. Условие начала возникновения собственной фотопроводимости:

hν > E_з,

где hν – энергия кванта излучения