Источники излучения

Применяют источники излучения 2-х видов на основе полупроводников: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) и лазеры. В полупроводниковых источниках генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, которая приводит к образованию фотонов. СИД и ЛД изготавливают из полупроводниковых материалов типа А³ В⁵ (арсениды и фосфиды галлия, индия, алюминия) с электронной (n- типа) и дырочной (p- типа) проводимостью. Введение в соединения А³ В⁵ примесей элементов 4 группы придает этим соединениям электронную проводимость, а - элементов 2 группы – дырочную проводимость.

Выбор источника излучения для той или иной системы связи определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы, стабильности параметров, а также к диапазону рабочих температур.

На рис.6.9,6.10 показано расположение слоев полупроводников различного типа в структурах СИД, разработанных для световодных систем связи. Фотоны образуются в активной зоне, расположенной вблизи p-n перехода и распространяются в самых различных направлениях. Через окна излучение выходит наружу.

В подложке прибора вытравлено углубление для уменьшения толщины слоя полупроводников через который проходит излучение. В углубление может быть помещена сферическая микролинза. В некоторых СИД излучение выходит наружу через боковую поверхность прибора. Это позволяет уменьшить размеры сечения пучка света. Диаметр излучающей площадки СИД с вытравленным углублением и СИД с выходом излучения через боковую грань составляет 50-60 мкм. Эффективность ввода света от светодиода в световод с диаметром сечения сердечника <200 мкм возрастает.

Длина волны света, излучаемого СИД определяется соотношением:

,

где ∆E - ширина запрещенной зоны в эв, - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.

Для арсенид галлиевого СИД l=900 нм. При добавке к арсениду галлия примеси алюминия длина волны уменьшается до l=750 нм. Для получения СИД с еще более короткой длиной волны, лежащей в видимой области спектра, необходимо применять в них арсенид фосфид галлия или фосфид галлия. Для получения длины волны излучения l=1,3 мкм СИД изготавливают из арсенид-фосфида галлия и индия (рис.6.10).

Рис.6.9. Структура светоизлучающего диода, генерирующего свет с длиной волны λ=0,83 мкм

Значение числовой апертуры изменяется от 0,9 (для СИД с большой излучающей площадкой) до 0,2 (для СИД с вытравленным углублением).

СИД нечувствительны к перегрузкам и обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции.

Следует отметить, что эффективность излучения СИД составляет 500 мВт/мА, причем генерируемый свет не поляризован, и спектр излучения непрерывный (рис.6.12).

При повышении температуры на 1°С Р_вых уменьшается для СИД с l=0,85 мкм на 0,3 % и для СИД с l=1,3 мкм на 2%. За 100% берется выходная мощность при температуре 25°С.

Рис.6.10. Структура светоизлучающего диода, генерирующего свет с длиной волны λ = 1,3 мкм

Рис 6.11. Зависимость между выходной оптической мощностью и током инжекции для СИД двух типов: 1-излучающая площадка параллельна плоскости p-n перехода, 2-излучающая площадка расположена на боковой грани диода

В лазерных диодах активная область, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок, меньше, чем в СИД. Однако концентрация инжектированных в полупроводник носителей-электронов и дырок значительно выше. Активная область (зона) - слой GaAs p -типа заключена между двумя горизонтально расположенными слоями AlGaAs, показатель преломления которого

Рис.6.12. Спектры излучения СИД, генерирующего свет с длиной волны l=850 нм (а), l=1300 нм (б).

для ближней инфракрасной области спектра меньше показателя преломления слоя GaAs, являющегося активной зоной (рис.6.13).

Рис.6.13. Структура лазерного диода с p-n и p-p⁺ переходами

В связи с чем, в этом слое излучение распространяется, как в ступенчатом световоде, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями, получающимися при сколе кристалла. Активная зона, ограниченная полупрозрачными зеркалами, представляет собой резонатор, в которой генерируется стимулированное излучение при токе инжекции I>I_п, где I_п - пороговый ток. При I<I_п возникает только спонтанное излучение, как в СИД

Рис.6.14. Зависимость нормированной мощности излучения, генерируемого лазерным диодом, от длины волны света при 25°– (а), и от температуры при =820 нм–(б)

Эффективность спонтанного излучения не превышает 5 мкВт/мА, т.е. меньше, чем в СИД. Значение порогового тока I_n=50…150 мА. После достижения током порогового значения эффективность излучения достигает 200 мкВт/мА. При повышении температуры на 1°С мощность излучения уменьшается в среднем на 0,8-0,9 %, а максимум излучения смещается в сторону больших l. Этот факт иллюстрируется рис.6.13.

Вследствие дифракционных эффектов форма пучка света меняется, как указано на рис.6.15. Сечение пучка имеет форму эллипса, в ближнем поле длинная полуось эллипса параллельна длинной стороне резонатора, а в дальнем - короткой стороне резонатора. ЛД генерирует частично поляризованный свет с плоскостью поляризации, параллельной электронно-дырочному переходу. Выходная мощность ЛД в непрерывном режиме составляет несколько милливатт, а для полупроводниковых лазеров в импульсном режиме она достигает нескольких ватт. Угловая ширина светового пучка составляет 20° в плоскости параллельной p-n переходу, и 50° – в перпендикулярной плоскости.

Однако, более 50% мощности пучка вводится в волоконный световод с сердечником диаметром 50 мкм и числовой апертурой NA=0,2. Хорошо вводится излучение ЛД и в одномодовое волокно.

Лазер – это излучающий прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии или энергии некогерентного излучения в энергию когерентного излучения. В полупроводниковых лазерах или в полупроводниковых оптических квантовых генераторах (ОКГ) излучение, как и в светоизлучающих диодах, порождается рекомбинацией электронов и “дырок”. Однако, это рекомбинация в лазерах оказывается в основном не самопроизвольной, а вынужденной (стимулированной). Поэтому источники вынужденного излучения назвали лазерами по первым буквам слов длинного названия – light wave amplification by stimulated emission of radiation – усиление световых волн с помощью стимулирования излучения.

Рис.6.15. Распределение яркости излучения, генерируемого ЛД, в поперечном сечении пучка; а - форма пучка в дальней (заштрихованная область) и ближней (зачерненная область) зонах; б,в –угловые распределения яркости соответственно по большой и малой полуосям эллипса, наблюдаемые в дальней зоне

Излучение при вынужденной рекомбинации получается когерентными, и это является принципиальным отличием полупроводниковых лазеров от светоизлучающих диодов (СИД).

Когерентное излучение – это излучение, возникающее при одновременном (синхронном) и синфазным (одинаковом по фазе) излучении возбужденных атомов. Упрощенная схема получения когерентного излучения выглядит следующим образом:

Имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударившийся фотон (этот факт доказан А. Эйнштейном). Т.о. будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного фотона. Будут двигаться три фотона. Аналогично произойдет излучение из третьего атома и т.д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз, теоретически коэффициент усиления может достигать . Движется огромное число фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление т.е. излучение будет когерентным. Кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и уменьшают энергию выходного когерентного излучения т.е. уменьшают усиление света.

Для усиления света необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном состоянии т.е. должна быть, так называемая, инверсия населенности энергетических уровней, следовательно, в большинстве атомов электроны необходимо перевести на более высокие энергетические уровни. Для этого к веществу активной среды необходимо подводить энергию, вызывающую возбуждение атомов. Этот процесс получил название накачки. Прибор, работающий в таком режиме, является квантовым усилителем света. Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается.

Упрощенная схема лазера имеет вид:

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя пластинами зеркалами (1,2), одно из которых (2) полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала (1) к зеркалу (2). Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливается по пути, затем отражается от зеркала (1), снова движется к зеркалу (2), частично излучается, а частично отражается и движется обратно. Через зеркало (2) будет излучатся когерентный поток фотонов. Внешний источник энергии осуществляет накачку.

Для работы полупроводникового лазера необходимо преобладание вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением квантов света. Это зависит от соотношения количества возбужденных и невозбужденных атомов в кристалле полупроводника, т.е. от населенности энергетических уровней полупроводника. В равновесных условиях на более высоких энергетических уровнях при любой температуре полупроводника число электронов меньше, чем на более низких энергетических уровнях. При этом нельзя получить усиление света в результате вынужденной рекомбинации. Для преобладания вынужденной рекомбинации над поглощением квантов света необходимо создать состояние полупроводника с инверсной населенностью. В этом случае поглощение фотонов мало, так как нет электронов, которым можно передать энергию. С другой стороны в полупроводнике с инверсной населенностью может происходить вынужденная рекомбинация.

Рис.6.16. Схема лазера; 1, 2–зеркала

Вынужденная рекомбинация т.е. переход электронов на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света может произойти под действием фотона, как уже рассказывалось выше.

Инверсную населенность в полупроводнике можно создать различными способами:

– с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении p-n перехода, (инжекционные лазеры),

– путем бомбардировки полупроводника пучком быстрых электронов,

– с помощью оптической накачки, т.е. путем возбуждения атомов полупроводника квантами света от мощного излучателя.

– путем использования сильного электрического поля, вызывающего лавинное размножение носителей заряда.

Наибольший интерес представляет первый из этих способов создания инверсной населенности. Рассмотрим инжекционный лазер. В нем имеется p-n переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация примесей составляет ^-3.

Грани, перпендикулярные плоскости p-n перехода, отполированы и являются зеркалами оптического резонатора. При подачи прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n переходе и происходит инжекция электронов и “дырок”. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает излучение, которое многократно отражаясь от зеркал, усиливается. Чем больший ток проходит через p-n переход, тем лучше выполняется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит преимущественно вынужденная рекомбинация, называется пороговым током.

Для инжекционных лазеров применяют в основном арсенид галлия . Длина волны излучения 0,8-0,9 мкм. КПД от 50 до 60%. Лазер с линейными размерами полупроводника ~мм дает мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме – до 100 Вт.

Простейший полупроводниковый лазер составлен из двух плоскопараллельных зеркал, однако, применяются и более сложные конструкции с другой формой зеркал и с дополнительными устройствами для управления излучением (могут находится внутри резонатора или вне его). С помощью этих устройств лазерный луч отклоняется и фокусируется, изменяются различные параметры излучения. Длины волн излучения различных лазеров могут быть от 0,1 до 100 мкм. Длительность импульсов бывает в пределах от . Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижима мощность Вт для наносекундных импульсов и Вт для пикосекундных.

Рис.6.17. Полупроводниковый лазер

---

Дата добавления: 2015-07-11