Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 5

При увеличении угла падения ro несколько возрастает.б. Потери, связанные с полным внутренним отражением.Излучение, генерируемое в p-n переходе, распространяется под различнымиуглами к внешней поверхности полупроводника. При достижении некоторогоугла падения световых лучей θo происходит полное внутреннее отражение светаот границы полупроводника с внешней средой. Угол полного внутреннего отражения - θo = arc sin (1/no).

Если излучение выходит не в воздух, то вместо 1подставляется коэффициент преломления данной среды. Для GaAs θo = 16o.Коэффициент выхода излучения, учитывающий все потери, связанные с отражением, записывается в следующем виде: Kотр = 4no/(no+1)2*(1–cos θo).Из-за потерь на отражения для СИД на GaAs выход излучения составляетоколо 1,3%, на GaP – 1,6%.Полная эффективность выхода излучения с учетом потерь на поглощение иотражение дается выражением:φ(λ ) ⋅ 1 + R TK ⋅ e −2⋅α ( λ )⋅d1 e − α 2 ( λ )⋅d 2 dλ4⋅n∫⋅ (1 − cos θ 0 ) ⋅K0 =,(n + 1)2φλλ()d()∫()где ф(λ) - скорость генерации фотонов.Снижение френелевских потерь обеспечивается нанесением на поверхностьизлучающего диода просветляющего слоя. Показатель преломления слоя: nc =(n0ncреды)1/2, где n0 - показатель преломления полупроводника, nсреды - показательпреломления среды, в которую выходит излучение (для воздуха n = 1).

Толщина слоя dС выбирается такой, чтобы световые лучи, отраженные от границ раздела слоя с внешней средой и полупроводником, гасили друг друга вследствиевзаимной интерференции. Для этого используется условие: nc*dc = (2m - 1)*λ/4,m = 1, 2, 3… Планарный излучающий диод помещают в среду с коэффициентом преломления промежуточным между воздухом и полупроводником. В качестве такой среды используют прозрачные пластмассы (эпоксидные, кремнийорганические – n = 1,4-1,8), при этом коэффициент выхода увеличивается при-20мерно в три раза. Применяются также легкоплавкие стекла (n = 2,4-2,9), но онипоглощают свет в коротковолновой части видимого диапазона, поэтому ихприменяют для диодов с красным и ИК-излучением.Снижение потерь, связанных с явлением полного внутреннего отражения,обеспечивается также тем, что излучающему кристаллу придают такую форму,чтобы выходящее излучение попадало на поверхность в заданном направлениипод углом к нормали, меньшим, чем θo.Рис.

7. Конструкции излучающих диодов.Использование усложненной конструкции излучателя дает значительныйэффект увеличения выхода излучения (силы света в определенном направлении). В то же время это приводит к увеличению расхода материала и усложнению технологии. Значительное усиление интенсивности света (в несколько раз)достигается, если излучающий элемент установлен в корпусе с рефлектором.Для применения в волоконно-оптических линиях связи, оптронах и волоконно-оптических датчиках требуются излучающие диоды, имеющие узкую диаграмму направленности излучения.

С этой целью используют диоды специальной конструкции, например, с параболической или сферической внешней поверхностью, рефлекторы, торцевые излучатели, а также фокусирующие устройства (линзы).Рис. 8. Диаграммы направленности излучения светодиодов и примеры конструкций излучающих диодов, применяемых в ВОЛС.В индикаторных приборах используются светодиоды, в которых излучающая поверхность имеет покрытие из антистоксова фотолюминофора. В этом21люминофоре испускаемое диодом длинноволновое излучение преобразуется вболее коротковолновое, т.е. ИК-излучение может быть преобразовано в излучение видимого диапазона. В качестве антистоксовых люминофоров используют фториды, оксисульфиды лантана, легированные Yb, Er, Ho, Tm, и другиесоединения. Однако это преобразование требует дополнительного расходаэнергии, поэтому эффективность такого преобразования от 0,1 до 10%.Свойства и особенности инжекционных излучающих диодовК основным спектральным параметрам инжекционных излучающих диодовотносятся длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения λmax и полуширина спектра ∆λ (∼ 40-100 нм).

Полуширина спектра зависит от рабочей температуры (∆λ ~ kT). Длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения λmax увеличивается с ростом температуры dλmax /dT = const (∼ 0.3 нм/ град). С изменением температуры изменяется и мощность Pизл при заданном токе Jпр.

Мощность уменьшается в 2-3 раза при увеличении температуры от -60° до +70°. Pизл линейно зависит от величины прямоготока Jпр до 102-103 А/см2 (для GaP до 10 А/см2). При уменьшении тока до 0.5-0.1А/см2 мощность излучения падает. Время переключения инжекционных излучающих диодов составляет 15-20 нс (частота до 500 МГц).Достоинства инжекционных излучающих диодов.1. Малые размеры – бескорпусные до 1,5-2 мм, корпусные ∼5-10 мм.2.

Малые рабочие напряжения - до 3 В (рабочий ток 5-20 мA).3. Достаточно большая светоотдача (до 10-60 лм/Вт). Сила света 10-4-10 Кд.4. Яркость ∼ 102-106 кд/м2.Перспектива развития инжекционных излучающих диодов - использование вкачестве излучающих элементов сверхмалых структур с квантовыми ямами иточками, а также на основе сверхрешеток. Уменьшение размеров активных зондо ∼10 нм приведет к изменению зонной диаграммы, уменьшению рассеянияизлучения и расширению возможностей инжекционных излучающих диодов.ЛазерыЛазер - прибор (устройство), генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, стимулированного излучения.

Терминобразован по первым буквам фразы Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation. Наиболее общими являются принципы классификации лазеров повиду активной среды – газовые, жидкостные, твердотельные (отдельно полупроводниковые), и по способу ее возбуждения (накачки).Полупроводниковые инжекционные лазерыИнжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n переходом (поэтому часто как равноправный использует-22ся термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n переход.Рис. 9.

Схема полупроводникового инжекционного лазера.Особенности инжекционных лазеров.1. Наличие активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденногоизлучения (p-n переход или гетероструктура на основе полупроводниковых соединений, главным образом типа А3В5).2. Использование возбуждения активной среды (накачка) – для создания инверсии населенности энергетических уровней в полупроводнике.

Для этого используется инжекция носителей заряда в p-n переходе.3. Наличие оптического резонатора, создающего положительную обратнуюсвязь, когда часть усиленного выходного сигнала возвращается в кристалл.Обычно применяется резонатор Фабри-Перо – 2 параллельных зеркала, обеспечивающих многократное прохождение волны через активное вещество, одно изних полупрозрачное для вывода излучения. В полупроводниковых лазерах вкачестве зеркал используются параллельные грани кристалла (30-40% отражения), создаваемые методом скола.4. Обеспечение электрического (а), электронного (б) и оптического (в) ограничений:а) электрическое ограничение состоит в том, чтобы максимальная доля токапроходила через активную среду;б) электронное ограничение требует сосредоточения электронов в активнойсреде (предотвращение «расплывания» в пассивные области);в) оптическое ограничение должно удерживать лазерный луч в активной среде,предотвращать его «растекание» при многократных проходах через кристалл.

Винжекционных лазерах зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла(n>n0), что обеспечивается соответствующим выбором материалов или повышением концентрации носителей вследствие инжекции.Следует отметить, что области электронного и оптического ограничения вполупроводниковых лазерах могут не совпадать.5.

Превышение порога возбуждения. Необходимо восполнение потерь на поглощение в среде, разогрев кристалла, неидеальность зеркал, спонтанные и безызлучательные переходы.Модуляция излучения в инжекционных лазерах осуществляется изменениемтока накачки.23Структура лазера с резонатором Фабри-Перо допускает существование большого числа продольных мод, разделенных интервалами частот ∆ν = c/2L и нарушающих монохроматичность излучения, и поперечных мод, искажающиходнородность пространственного распределения интенсивности.

Избирательность модового состава генерируемого излучения должна обеспечиваться элементами, которые встраиваются в резонатор или располагаются вне его.Для того, чтобы в прямозонном полупроводнике было усиление излучения счастотой ν, энергетический зазор между квазиуровнями Ферми для n и p должен быть больше ширины запрещенной зоны Eg (hν>Eg), тогда при распространении волны могут индуцироваться переходы из заполненных состояний зоныпрово-димости в незаполненные состояния валентной зоны. Это условие реализуется только в вырожденных полупроводниках или (чаще) в гетероструктурах.В однородной одномерной среде пороговое значение коэффициента усилениягенерируемого излучения: αпор = α0 - (1/2L)ln(ρ1*ρ2), где α0 - коэффициент поглощения полупроводникового материала, ρ1,2 – коэффициент отражения от границы резонатора, L – длина резонатора.

Коэффициент усиления α зависит от степени инверсии населенностей, т.е. от концентрации избыточных носителей, определяемой величиной плотности тока накачки: αпор = α(Jпор), где Jпор – пороговая плотность тока. При плотности тока, незначительно превышающей Jпор,зависимость α(Jпор) хорошо аппроксимируется прямой: α = αпор+ β(J + Jпор), где β- коэффициент усиления света по току.При росте J зависимость α(J) насыщается из-за уменьшения времени жизнинеравновесных носителей заряда. Эффект насыщения усиления описываетсяформулой α ≈ α0(1 + Ф/Фнас)-γ, где Ф - световой поток, γ = 0.5-1.Плотность порогового тока Jпор = J0+α0/β + 1/(2βL)*ln(1/ρ1ρ2), где J0 – плотность тока, обеспечивающая инверсию населенностей.

С уменьшением длинырезонатора значение плотности порогового тока увеличивается (до L ≈ 30 мкм).В то же время с уменьшением L расширяется спектр генерации (при L ≤ 100мкм ∆ν ~ 1/L). Минимальные значения толщины и ширины активной областисоставляют около 0,15 мкм, при дальнейшем уменьшении толщины существенным становится просачивание носителей и света в пассивные области.