63359 (Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи), страница 7

Ин/ересно отметить, что спектральная характеристика светодиода на основе легированного одновременно азотом и оксидом цинка, имеет два

выраженных максимума в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества легирующих примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, можно получить любые промежуточные цвета от зеленого до красного включительно. Примером светодиода, где реализован этот принцип получения цветов, может служить ЗЛ341Е, обладающий желтым цветом свечения.

Спектр излучения светодиода характеризуется двумя основными параметрами: длиной волны максимума спектрального распределения и шириной спектра излучения по уровню 0,5 от максимальной интенсивности

4. Диаграмма направленности излучения показывает изменение интен
сивности излучения СИД в зависимости от направления, откуда ведется наблюдение. Диаграмма направленности зависит в основном от конструкции и материала корпуса светодиода и формы оптической линзы. С особым вниманием к учету этой характеристики следует относиться при разработке элементов индикации электронной аппаратуры для обеспечения удобств эксплуатации; подробнее эти вопросы освещаются в [45].

5. Электрические свойства светодиодов описываются вольтамперной характеристикой, которая аналогична ВАХ обычного диода, но прямое падение напряжения на светодиоде при одинаковом токе существенно больше,чем в кремниевом диоде, что объясняется большей шириной запрещенной зоны в материале,используемом для светодиодов.ВАХ некоторых светодиодов приведены на рис. 3.9.

6. Предельные эксплуатационные режимы СИД описываютсяследующими параметрами: максимальный прямой ток светодиода ; максимальный прямой импульсный ток ; максимально допустимое обратное напряжение

Следует помнить, что светодиоды не предназначены для работы в режиме обратного смещения. Величина максимально допустимого обратного напряжения обычно не превышает единиц вольт, поэтому использование СИД в цепях, где меняется полярность питающего напряжения, требует обеспечения мер защиты для предотвращения выхода СИД из строя.

7. Существенным недостатком светодиодов является сильная зависимость параметров от температуры окружающей среды, причем температурная зависимость проявляется как в изменении мощности излучения, так и в изменении спектрального состава (рис. 3.10). Например, при увеличении температуры окружающей среды на происходит уменьшение мощности излучения приблизительно на . Температурный коэффициент длины волны максимума спектрального распределения зависит от типа полупроводникового материала: для прямо-зонного материала значение этого коэффициента составляет около а для непрямозонного жоло 0,09

8. Быстродействие СИД достаточно велико и составляет приблизительно десятки наносекунд. Быстродействие является важнейшей характеристикой ИК-светодиодов, используемых для ВОЛС, и обычно в паспорте приводят постоянные времени нарастания и спада импульса излучения

Данный параметр приводится редко, так как не является основным для индикаторных СИД.

5.2.2 Перспективы развития и применения излучательных диодов

Основными направлениями совершенствования излучательных диодов в настоящее время являются:

расширение спектрального диапазона излучения в коротковолновую часть спектра, а в ИК-области освоение диапазона 1,5-3 мкм для волоконно-оптических линий связи нового поколения;

повышение эффективности электролюминесценции и вывода оптического излучения;

развитие многоцветных систем отображения информации для электронных табло и дисплеев путем создания светодиодных индикаторов с большой (до нескольких квадратных сантиметров) площадью свечения, содержащих один или несколько одноцветных или разноцветных кристаллов;

создание малогабаритных с высокой яркостью и малым током потребления индикаторов для малогабаритной переносной аппаратуры, в том числе и предназначенной для эксплуатации при дневном освещении. Благодаря достигнутым в последнее время успехам по созданию высокоэффективных светодиодных источников излучения существенно расширилась их область применения. Например, ИК-диоды наряду с традиционным применением в различных оптронных конструкциях и системах дистанционного управления и автоматики сейчас успешно конкурируют с лазерами в открытых и оптоволоконных линиях передачи информации при скоростях до 10 Мбит/с. Кроме того возможно их использование в охранных системах и для ИК-подсветки в технике ночного видения. Светодиоды видимого диапазона, кроме традиционного использования для индикации и отображения информации, могут применяться в медицинской аппаратуре и газоанализе, копировальной технике, считывающих устройствах персональных компьютеров и анализаторов изображения, светосигнальных и навигационных приборах. Кроме того, последние разработки высокоэффективных СИД видимого диапазона спектра позволяют надеяться на успешное внедрение таких приборов в осветительную технику [84].

5.3 Инжекционные полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой двухэлек-тродный прибор с /5-л-переходом, излучение которого характеризуется высокой степенью пространственной и временной когерентности. Пространственная когерентность - это согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени, а временная -согласованность между фазами колебаний в одной точке пространства в различные моменты времени [55].

По своей конструкции полупроводниковые лазеры во многом подобны светодиодам, и в основу их принципа действия также положено явление инжекционной люминесценции. Однако лазерное излучение отличается от светодиодного монохроматичностью, направленностью, возможностью модуляции в широкой полосе частот. Кроме того, его высокая когерентность дает возможность более полно использовать информационную пропускную способность оптических каналов, применяя амплитудную, частотную, фазовую и другие модуляции оптического излучения.

5.3.1 Условия возникновения лазерной генерации

Рассматривая в разд. 3.2 инжекционную люминесценцию, мы полагали, что процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными электронными переходами зона-зона. Однако при некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Рассмотрим подробнее условия возникновения индуцированного или лазерного излучения. Сразу оговоримся, что данные уеловия будут справедливы для лазеров любого типа: полупроводниковых, газовых, твердотельных, на красителях и т.д.

Первое - необходимость активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения.

Второе - наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров таким механизмом является инжекция носителей заряда через р-п-переход, причем вблизи /?-п-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях выше, чем на низких.

Третье - наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Методы реализации положительной обратной связи могут быть самыми разнообразными. Одним из наиболее распространенных является использование резонатора Фабри-Перо, состоящего из двух плоскопараллельных зеркал, и обеспечивающего многократное прохождение оптического излучения через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола.

Четвертое - обеспечение условий ограничения (электрического, электронного и оптического). Электрическое ограничение состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область. Электронное ограничение требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла. Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. И, наконец, оптическое ограничение состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл. В инжекционных лазерах это требование обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча. Необходимо отметить, что для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения.

Пятое - наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д.

Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации. Рассмотрим условия возникновения лазерной генерации подробнее.

5.3.2 Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

Рассмотренные выше условия лазерной генерации излучения могут быть реализованы при протекании тока через полупроводник. Причем с момента создания первого лазера и по настоящее время структура полупроводниковых лазеров претерпела значительные изменения. Так, например, первые полупроводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшим переходом. Основным недостатком подобных структур является несовершенство ограничительных свойств простого перехода. Кроме того, границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области, не определены четко и меняются в зависимости от тока накачки. Поэтому лазеры на однородных полупроводниках не получили широкого распространения и в настоящее время практически не используются. Другой, несколько более сложной, является односторонняя гетероструктура. Основное ее достоинство - это наличие практически идеального выполнения условий ограничения, но только с одной стороны перехода при незначительном усложнении технологии. И, наконец, доминирующей в промышленных образцах полупроводниковых лазеров в настоящее время является ДГС. Основным ее достоинством является выполнение условий электрического, электронного и оптического ограничений по обе стороны от активной области, что позволяет при малых пороговых токах инжекции получать в сверхтонкой активной области, лежащей между двумя гетерограницами, значительные потоки излучения. Дальнейшее развитие ДГС привело к созданию четырех- и пятислойных структур, которые позволяют оптимизировать размеры оптического волновода с точки зрения оптимальности модового состава излучения, при этом толщина области электрической накачки обычно существенно меньше толщины волновода