Источники оптического излучения

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Характеристики полупроводниковых материалов

При рассмотрении процесса излучения света источником либо его поглощения фотодиодом свет рассматривается с квантовой точки зрения. Частицы света называются фотонами.

Существует связь энергии фотона Еф и параметров световой волны: Еф= h*f, где h=6,626*10^-34 Дж*с — постоянная Планка, f — частота волны. Через связь длины световой волны и частоты энергия фотона:

(1)

где с=3*10⁸ м/с — скорость света.

— длина волны — пространственный интервал при прохождении, которого электромагнитная волна меняет свою фазу на 2.

Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic — собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей.

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рисунок 1).

Рисунок 1

При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рисунок 2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.

Рисунок 2

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется тепловой генерацией носителей заряда.

Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда.

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative — отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый («лишний») электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда.

Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Рисунок 3

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive — положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей.

Рисунок 4

Согласно представлениям квантовой физики электроны в атоме могут принимать строго определенные значения энергии или, как говорят, занимать определенные энергетические уровни.

Твердое тело, каковым является полупроводниковый кристалл, состоит из множества атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности разрешенных дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью разрешенных энергетических зон, состоящих из большого числа близко расположенных энергетических уровней.

Заполненная электронами разрешенная зона называется валентной зоной (ВЗ), а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости (ЗП). У полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной (ЗЗ).

Рисунок 5 — Энергетическая модель материала Электрон, обладающий энергией валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, он свободен от валентной связи и имеет возможность перемещаться в молекулярной структуре материала. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход.

Так как, то для перехода электрона в ЗП необходимо сообщить дополнительную энергию, например, в виде кванта, при этом наблюдается поглощение фотона с образованием носителей заряда.

При переходе электрона из ЗП в ВЗ могут наблюдаться явления спонтанного или стимулированного излучения фотонов при рекомбинации носителей заряда.

Спонтанное излучение возникает при переходе любого электрона с произвольного уровня в зоне проводимости на любой уровень валентной зоны. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон.

Под стимулированным излучением понимается излучение возбужденных электронов под действием падающего на них света. В рамках квантовой теории вынужденное излучение означает переход электрона из высшего энергетического состояния в низшее, но не произвольно, а под влиянием фотона. Возникающая при излучении световая волна не отличается от падающей на атом волны частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения.

Длина волны излучения зависит от ширины ЗЗ материала и определяется .

Рисунок 6 — Квантовые переходы Исходя из используемых в ВОСП спектральных диапазонов волн = 0,8…1,6 мкм определено, что им соответствуют энергии запрещенной зоны, которыми обладают полупроводники III, IV, V групп таблицы Менделеева.

Полупроводниковые материалы разделяются на прямозонные и непрямозонные. В прямозонных материалах процессы переходов носителей с уровня на уровень происходят без задержки и сопровождаются высокой квантовой эффективностью.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри ЗЗ могут создаваться дискретные энергетические уровни. Примесные полупроводники образуют разные виды проводимости электрического тока — электронную и дырочную.

Рисунок 7 — Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов Базовыми материалами для изготовления источников являются следующие прямозонные материалы: арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP, трех и четырехкомпонентные соединения на их основе — GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галия). Материалы пригодны для массового изготовления источников и безопасны при работе с ними.

На рисунке 8 изображена классификация источников ВОСП.

Рисунок 8 — Классификация источников излучения

2. Светоизлучающие диоды

Принцип действия СИД основан на явлении электролюминесценции, то есть излучения света материалами под действием электрического поля. Излучение фотонов обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. При протекании тока через p-n переход в прямом направлении наблюдается излучательная рекомбинация инжектированных не основных носителей. Наибольшее применение получили гетеропереходы.

Гетеропереход — переход, образованный между материалами со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной зоны и показателями преломления.

СИД имеет трехслойную структуру: пассивные слои (1) и активный слой (2). В n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают соответствующие уровни в валентной зоне.

В плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов — потенциальный барьер, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок n-область. При приложении прямого смещения наблюдается односторонняя инжекция электронов и дырок в активный слой. Высокая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала Е на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается рекомендация носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света. СИД функционирует на основе спонтанного излучения и формирует некогерентные волны с .

Соотношение показателей преломления активного и пассивного слоев n₂>n₁ обеспечивает волноводный эффект и повышает КПД источника.

При разработке конструкций СИД необходимо уменьшать поглощение фотонов полупроводником и обеспечить эффективный ввод излучения в волокно.

Различают две структуры СИД: поверхностный СИД (рисунок 10) торцевой СИД (рисунок 11).

В поверхностном СИД — излучение выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно («пиглейл») присоединяется к поверхности источника через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 10 — Конструкция поверхностного СИД В торцевом СИД — излучение выводится с одного торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. Другой торец активного слоя выполняется в виде зеркала. Излучающий торец согласуется с ОВ линзовой системой.

Рисунок 11 — Конструкция торцевого СИД В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное — вынужденное излучение — является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мА.

3. Лазерные диоды

Лазер — прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного или стимулированного излучения. (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — аббревиатура выражение усиление света вынужденным излучением).

Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

Процессы переходов между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов можно связать между собой уравнением Эйнштейна:

ПОГЛОЩЕНИЕ СТИ СПИ диод полупроводниковый лазер светоизлучающий

(2)

где E (f) — полная энергия фотонов на единицу объема материала;

А₂₁ — коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня Е_С на уровень E_V;

В₂₁ и В₁₂ — коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня Е_С на E_V и наоборот; таким образом, произведение В₁₂E (f) характеризует вероятность поглощения, а произведение В₂₁E (f) — вероятность вынужденного излучения;

N1 и N2 — число возбужденных электронов на уровнях E_V и Е_С.

Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая — полную энергию, выделяемую в веществе в виде стимулированного и спонтанного излучения.

При прохождении волны через среду, в единице объема которой N1 электронов находятся в энергетическом состоянии Е_V и N2 электронов в состоянии Е_С она может поглощаться или усиливаться. В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N₁ всегда больше населённости верхнего N Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, то есть имеет место поглощение света.

Для того чтобы процессы СТИ преобладали над поглощением необходимо выполнить условие:

(3)

При одинаковых В₂₁ и В₁₂ должны быть созданы условия инверсной населенности энергетических уровней N2 > N1, что трактуется как необходимость возбуждения электронов. При N₂ > N₁ вынужденные переходы E_с > E_v преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E_v > E_c. Излучаемые в результате вынужденных переходов волны по частоте, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн.

Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней, способную усиливать излучение, обычно называют активной или лазерной. Процесс возбуждения среды с целью выполнения условия N₂ > N₁ — называется накачкой, а внешний источник возбуждения — источником накачки.

В полупроводниках активную среду возможно создавать:

1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

2) оптическим возбуждением В технике оптических систем связи источником накачки полупроводниковых материалов является источник электрического тока.

Из соотношения

(4)

Видно, что для преобладания СТИ над СПИ необходимо получить высокую концентрацию фотонов в веществе.

В лазерах в качестве области пространства, в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E (f)>1) используется оптический резонатор (рисунок 12).

Рисунок 12 — Резонатор Фабри-Перо Простейшим оптическим резонатором является резонатор Фабри — Перо. Его конструкция представляет два расположенных параллельно друг другу зеркала, выполненных на основе отполированных граней полупроводникового кристалла.

Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о структуре лазера (рисунок 13)

Рисунок 13 — Общая структура лазера При малых токах накачки в активной области, подобно СИД, возникает спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны (СПФ) во все стороны и большая часть эту область покидает. Часть фотонов спонтанного излучения отразятся от зеркала РФП и пройдут строго в плоскости активной области к противоположному зеркалу.

Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т.е. атома, находящегося на уровне E_с), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы других возбуждённых атомов и вследствие этого усилится.

Усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, то есть от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль его оси.

Фотоны, сталкиваясь с электронами, отдают им кванты энергии. Получив дополнительную энергию, некоторые электроны, находящиеся на энергетических уровнях в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками валентной зоны. Вновь возникают фотоны, но в отличие от спонтанных, они являются стимулированными (СТФ). Когерентные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности, и интерферировать между собой.

Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от отношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны, которым соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений.

Длина резонатора выбирается такой, чтобы на ней укладывалось целое число полуволн:

где q=1,2,… — число полуволн (5)

В результате каждого «прохода» интенсивность волны увеличивается, так как число СТФ растет лавинообразно, а поскольку число электронно-дырочных пар в единице объема, не меняется, стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. При некотором пороговом токе накачки спонтанное излучение окончательно подавляется, в резонаторе устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит поток когерентного излучения. Этот режим называют режимом генерации лазера.

В резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора. Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми.

Конструкция ЛД Фабри-Перо (FP) с двойной гетероструктурой приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 — Конструкция лазера с резонатором Фабри-Перо При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава, что при модуляции тока накачки информационным сигналом приводит к динамическому уширению спектра и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие.

Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще других применяют лазеры типа РОС (DFB).

В отличие от лазеров Фабри-Перо в лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах РОС такая связь возникает благодаря распределенной структуре под названием «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 15). Резонатор образован между подложкой n+ InP p+InGaAsP. Гофр представляет собой фазовую решетку (оптический фильтр) с очень высокой разрешающей способностью.

Рисунок 15 — Структура лазера РОС Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

В РОС-лазерах положительная обратная связь по фотонам обеспечивается рассеянием на неоднородностях образующих дифракционную решетку. Дифракция — совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно — дифракция волн (конечным числом дискретных когерентных источников — интерференция).

В результате дифракции на решетке останутся только моды, длина волны которых кратна периоду решетки, так как для этих типов волн наблюдается синфазное сложение волн дифракции. То есть периодическая структура способна обеспечить селекцию мод и одномодовый режим генерации.

Частота генерации соответствующая длине волны Брэгга:

(6)

где L — длина активного слоя с гофром, с — скорость света в свободном пространстве.

Отличительной особенностью РБО-лазеров (DBR) является то, что в них периодическая структура вынесена за пределы активной области.

В последние годы повышенный интерес разработчиков ВОСП вызывают «викселы» — полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL — vertical-cavity surface-emitting lasers). В таких лазерах (рисунок 16) резонатор образован двумя объемными дифракционными решетками Брэгга и излучение генерируется в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, являющейся основанием гетерои квантоворазмерных слоев полупроводников.

Рисунок 16 — Лазер с вертикальными резонаторами (VCSEL)

Благодаря сверхкороткой длине резонатора, викселы генерируют на одной продольной моде, при этом диаметр выходного пучка лазера достигает 20−30 мкм, что позволяет осуществлять его эффективную фокусировку в одномодовое волокно. Пороговый ток викселов крайне мал — до 2−5 мА, мощность излучения около 1 мВт. Приложением электрического поля в направлении оси резонатора в некоторых (консольных) вариантах VCSEL удается осуществлять плавную перестройку длины волны генерации в полосе длин волн 1530−1560 нм. Это создает возможность эффективного применения викселов в перспективных ВОСП со спектральным уплотнением (WDM и DWDM). Однако, технология изготовления таких лазеров для длин волн 1500−1610 нм (Long Wave-VCSEL, LW-VCSEL) еще недостаточно отработана из-за сложности изготовления зеркал лазера, поэтому они пока менее распространены.

4. Характеристики источников излучения

Ватт — амперная характеристика (ВтАХ, ВАХ) — это зависимость мощности излучения от тока инжекции или накачки.

Рисунок 17 — Ватт-амперная Рисунок 18 — Ватт-амперная характеристика СИД характеристика ЛД Нелинейность характеристики СИД обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации носителей в p-n переходе из-за ограниченного их числа.

По ВтАХ, возможно, определить мощность излучения для заданного значения управляющего тока, а также линейный участок для модуляции излучения.

Диаграмма направленности излучения показывает распределение мощности в пространстве.

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне, уменьшение максимального излучения в два раза.

Рисунок 19 — Диаграмма направленности СИД Рисунок 20 — Диаграмма направленности ЛД Для СИД в параллельной и перпендикулярной плоскости: _x,_y — 90^о-180^о, для ЛД: _х=20−30^о _y=30−60^о.

Спектральная характеристика — зависимость относительной мощности излучения от длины волны.

По спектральной характеристике на уровне 0,5 от максимальной мощности (Pu_max) определяется ширина спектра излучения источника ().

Рисунок 21 — Спектральные характеристики источников

Расчет параметров многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо:

1. Расстояние между модами m=_о²/ 2*L*n

где ₀ — центральная длина волны;

L — длина резонатора;

n — показатель преломления материала резонатора.

2. Число мод

3. Добротность резонатора на центральной длине волны

где R0.3 — коэффициент отражения зеркал резонатора.

Добротность колебательной системы, характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает их амплитуду вдали от резонанса. Чем выше добротность системы, тем меньше потери энергии в ней.

4. Частота моды

m — модовое число (номер моды).

В одномодовом режиме величина подавления боковые мод излучения лазера должна быть не менее 30 дБ.

Быстродействие источника — определяет время преобразования электрического сигнала в оптический сигнал.

На выходе источника импульс считается преобразованным, если его мощность достигла значения 0,9 Pu_max. Быстродействие характеризуется через время нарастания _н — это время в течение, которого амплитуда импульса изменяется от уровня 0,1 до 0,9 от максимальной мощности (Pu_max).

Рисунок 6 — Быстродействие источника Время нарастания определяет максимальную частоту модуляции источника.

Для СИД Для ЛД

_н5 нс _н=0,15 нс

f = 70МГц f = 2,5ГГц Время деградации определяется уменьшением излучаемой мощности в два раза при одном и том же токе накачки.

Так как ЛД работают при более высоких плотностях тока накачки, это приводит к более быстрой деградации полупроводникового слоя.

5. Соединение источника с волокном

С учетом различия апертур источника излучения и световода разработан ряд элементов ввода — вывода излучения. Они выполняют функцию оптического согласования угловых апертур активных элементов (светодиодов и лазеров) и световодов. Показатели преломления полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются СИД и ППЛ, имеют размерность около 3,5 (ППЛ 3,5), а стекловолокно — около 1,5. Еще больше проблем с выводом / вводом излучения через воздушный зазор, так как показатель преломления воздуха мало отличается от единицы (n_в = 1,001). Условие полного внутреннего отражения при распространении света на границе раздела сред полупроводник-воздух имеет вид (11):

(7)

_КР = критический угол вывода (рисунок 23)

Рисунок 23 — Вывод излучения из световода При этом доля излучаемой мощности составит:

(8)

На рисунках 24 — 27 представлены различные линзовые соединители, которые согласуют световоды и излучатели.

Рисунок 24 — Согласование микролинзой Рисунок 25 — Согласование линзой на световоде Рисунок 26 — Согласование линзой на излучателе Рисунок 27 — Согласование градановой линзой