Реферат: Источники излучения в интегрально-оптических схемах

РК—5—92

Шашло

М.В.

Источникиизлучения в интегрально-оптических схемах.Характеристики

Светодиоды, их

свойства и технология изготовления.

Конструкции полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов (СД),применяемых в ВОСП,

весьма разнообразны.КонструкцииСД выбирают с таким расчетом, чтобы уменьшитьсобственное

самопоглощение

излучения, обеспечить режим работы при высокойплотности тока инжекции и увеличить эффективностьввода излучения в волокно.Для повышения эффективностиввода используют микролинзы как формируемыенепосредственно на поверхности прибора, так и внешние.

В настоящее время получилираспространение две основные модификации СД: поверхностныеи торцевые.В поверхностных СД излучение выводится в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя, а в торцевых из активного слоя- в параллельной ему плоскости.Схематическое изображение конструкции СД обоих типов приведено на рисунке.Дляулучшения отвода тепла от активного слоя при высокой плотности токанакачки применяют теплоотводы.

Вывод излучения в СД поверхностного типа на арсениде галлия осуществляютчерез круглое от-

верстие, вытравленное

в обложке.В это отверстие вставляют оптическоеволокно и закрепляют его с помощью эпоксидной смолы.Такуюконструкцию светодиода называют диодом Барраса.Известнытакже конструкции поверхностных СД с выводом излучения непосредственно через подложку.Такие конструкции применяются в СД начетырехкомпонентном соединении GaInAsP.В этом случаеподложка из InP является прозрачным окном.

В торцевых СД с двойной гетероструктурой выводизлучения активного слоя осуществляют с торца, как и влазерных диодах.Благодаря полному внутреннемуотражению оптическое излучение распространяется вдоль перехода.Спомощью полосковой конструкции нижнего омического контакта, атакже щели на задней части активного слоя активная область ограничена, чтопозволяет избежать лазерной генерации.Так как генерируемое излучениепри выводе наружу проходит через активный слой, тоимеет место самопоглощение излучения в этом слое.Для уменьшения самопоглощенияактивный слой выполняют очень тонким (0,03...0,1 мкм).В результате излучениераспространяется главным образом в ограничивающем слое,которыйблагодаря большой ширине

запрещенной зоны имеет небольшие потерина поглощение.

Излучение СД возникает в результате спонтанной излучательнойрекомбинации носителей заряда и поэтому является некогерентным, а

следовательно относительноширокополосным и слабонаправленным.

Особоследует выделить суперлюминесцентные СД.В этих диодахпомимо спонтанной рекомбинации с излучением используется процесс индуцированнойрекомбинации с излучением;

выходное излучение является усиленным вактивной среде.Суперлюминесцентные СД представляютсобой торцевые СД, работающие при таких высокихплотностях тока инжекции, что в материале активногослоя начинает наблюдаться инверсная населенность энергетических уровней.

.

Принципиальным отличием лазерного диода от СД является наличие в первомвстроенного оптического резонатора, что позволяет приусловии превышения током инжекции некоторогопорогового значения получить режим индуцированного излучения, котороехарактеризуется высокой степенью когерентности.Наиболеечасто в качестве оптического резонатора используют: плоскийрезонатор Фабри-Перо и его модификации, включаясоставные и внешние резонаторы, резонаторы сраспределенной обратной связью (РОС-резонатор) и сраспределенным брэгговским отражателем (РБО-резонатор).Плоский резонатор образуется обычнопараллельно сколотым торцам полупроводника, а РОС- и РБО-резонаторы--путем периодической пространственной модуляции параметров структуры, влияющихна условия распространения излучения.При совмещениипериодической структуры с активной областью получают РОС-диод, апри размещении периодической структуры за пределами активной области -- РБО-лазерный диод.

Преимуществами РОС- и РБО-лазерных диодов посравнению с обычным лазерным диодом с резонатором Фабри-Пероявляются: Уменьшение зависимости длины волны излученияот тока инжекции и температуры, высокаястабильность одномодовости и одночастотностиизлучения, практически 100-процентная глубина модуляции.Так, если в лазерном диоде с резонатором Фабри-Перо температурный коэффициент <img src="/cache/referats/517/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> порядка 0,5...1 нм/

°С.Кроме того РОС- и на отказ.Крометого, для РБО-структурыпозволяют реализовать интегрально-оптические схемы.Основнымих недостатком является сложная технология изготовления.

Полупроводниковые излучатели в общем случае определяются комплексомпараметров и характеристик, включая габаритные и присоединительные размеры.Однако с точки зрения их применения в качествекомпонентов ВОСП важное значение имеет ограниченный набор параметров и характеристик, которые чаще всего и приводятся в паспортныхданных конкретных приборов.

Наиболее важными для применения в ВОСП параметрами являются: средняямощность излучения, ширина излучаемого спектра, время нарастания и спада импульса излучения приимпульсном возбуждении тока накачки, падениенапряжения на диоде и наработка лазерных диодов и торцевых светодиодов, обладающих узкой диаграммой направленности, существенное значение имеют углы расходимости по уровню половинной мощности.Этиуглы обычно определяют по направлению излучения в параллельной иперпендикулярной переходу плоскостях и обозначают соответственно и .Оба угла характеризуют поле излучения в дальней зоне и обычно =10...30

°

и =30...60

°.

Средняя мощность излучения при работе при работе излучателя внепрерывном режиме определяет полную мощность, излучаемуюповерхностью активной области прибора в направлении вывода излучения.

Длину волны излучения <img src="/cache/referats/517/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"><img src="/cache/referats/517/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"><img src="/cache/referats/517/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">значение, соответствующеемаксимуму спектральн ого распределения мощности, а ширину излучаемого спектра <img src="/cache/referats/517/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/517/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/517/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> — как интервал длин волн, в котором спектральная плотностьмощности составляет половинумаксимальной. Огибающая спектрального распределения излучения светодиода имеет примерно форму гауссовской кривой с

<img src="/cache/referats/517/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> спектра значительно уже ( порядка 1.....4 нм ) и еще меньше для РОС — и РБО — лазерныхдиодов, у которых в зависимости от конструкции она может составлять 0,1… 0,3 нм. Минимальная ширина спектрадостигается в лазерных диодах с внешними резонаторами, у которых она взависимости от типа резонатора лежит в пределах 1...1500 кГц.

Для высокоскоростных ВОСП важное значение имеют динамические свойствалазерных диодов, которые проявляются в зависимости спектральной характеристикиот скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения путемизменения тока накачки. У одномодового лазерногодиода с резонатором Фарби — Перо увеличение скоростипередачи сопровождается изменением модового состава,что характеризуется динамическим расширением спектра до 10 нм при модуляции счастотой <img src="/cache/referats/517/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><img src="/cache/referats/517/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> порядка 1....2 Ггц.Для РОС- и РБО-лазерныхдиодов при модуляции в диапазоне 0,25...2 Ггц имеетместо лишь незначительный сдвиг <img src="/cache/referats/517/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1035">сохраненииивысокой степени подавления побочных мод.Поэтому этилазерные диоды часто называют динамически одномодовыми.

Быстродействие источников излучения оценивается временем нарастания <img src="/cache/referats/517/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> и временем спада <img src="/cache/referats/517/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> мощности излучения примодуляции импульсами тока накачки прямоугольной формы достаточной длительности(<img src="/cache/referats/517/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1038">мощности.Частобыстродействие определяется максимальной частотой модуляции.Длясветодиодов эта частота может достигать 200 Мгц, а у лазерных диодов — значительно больше (несколько Ггц).Ограничениечастоты модуляции светодиодов связано со времененмжизни неосновных носителей, а лазерных диодов — скорреляцией между концентрацией инжектируемых носителей и потоком фотонов

, возникающих вследствие их рекомбинации.

К параметрам, определяющим статический режим работы полупроводникового излучательного диода

,относят падение напряжения на диоде иток накачки при прямом смещении.Кроме этих параметровстатический режим работы характеризуется ватт-ампернойхарактеристикой. На ватт-амперной характеристикелазерного диода можно выделить точку излома, котораяопределяется пороговым током накачки Iпор.При токахнакачки выше порогового лазерный диод работает в режиме индуцированногоизлучения и мощность его очень быстро растет с увеличением тока накачки.Если ток накачки меньше порогового, то прибор работает в режиме спонтанногоизлучения и излучаемая мощность мала.Одновременнорезко уменьшается быстродействие и существенно расширяется ширина излучаемого спектра.Поэтому лазерные диоды вдинамическом режиме работы требуют начального смещения постоянным током, примерно равным пороговому току.Наклонветви ватт-амперной характеристики лазерного диода, расположенной правее Iпор, характеризует дифференциальную квантовую эффективность <img src="/cache/referats/517/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> д=dP/dIн,котораязависит от конструкции прибора и его температуры.Типичныезначения дифференциальной квантовой эффективности лазерных диодов составляют0,1...0,2 мВт/мА, апороговый ток лежит в пределах 10...100 мА.

Для лазерных диодов характерна температурная зависимость порогового токаи дифференциальной квантовой эффективности.С ростомтемпературы пороговый ток увеличивается,

а дифференциальная квантовая эффективность уменьшается.Изменениетемпературы приводит также к изменению длины волны излучения.Наибольшейтемпературной нестабильностью обладают лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо.Лазерные диоды с РОС- и РБО-резонаторамиболее термостабильны.Для уменьшения температурныхвлияний применяют специальные меры

, например используют теплоотводыс элементом Пелтье.Параметрыи характеристики светодиодов имеют достаточно высокую температурную стабильность, что делает их более простыми в эксплуатации.

Надежность полупроводниковых излучателей определяется наработкой наотказ или интенсивностью отказов.Лазерные диоды

, созданные в начале 80-х годов, обладалисущественно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами.Однаков последнее время благодаря совершенствованию конструкций и технологииизготовления ее удалось значительно повысить и довести до приемлемой величины.

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Сила Земного притяжения

26 Июня 2015

Реферат по физике

Пространство и время в физике