Фізичні основи джерел випромінювання

У ВОЛЗ використовуються НП джерела випромінювання (ДВ) трьох типів: світловипромінювальні діоди (СД), суперлюмінесцентні діоди (СЛД) та інжекційні лазерні діоди (ЛД). Основою цих ДВ є Н/П (наприклад, арсенід галію – GaAs, або арсенід галію-алюмінію – GaAsAl та ін.) з підведеними до нього металевими електродами. НП містить p-n перехід, в якому при прямому зміщенні електрони інжектуються з n -області до p -області.В останній виникає випромінювальна рекомбінація носіїв,врезультаті якої виникають кванти світла в діапазоні довжин хвиль, що залежить від складу НП матеріалу. Принцип роботи СД, СЛД, ЛД заснований на випромінювальній рекомбінації носіїв заряду в активній області НП гетерогенної структури при пропущенні через неї струму, рис.5.1а. Носії заряду (електрони і дірки) проникають в активний шар (гетероперехід – НП з різним хімічним складом і фізичними характеристиками р і n шарів) із прилягаючих пасивних шарів унаслідок подачі напруги на р-n структуру і зазнають спонтанну рекомбінацію, що супроводжується випромінюванням світла. Довжина хвилі випромінювання λ (мкм) пов'язана із шириною забороненої зони активного шару Еg, (еВ) законом збереження енергії λ = 1,24/Е_g, рис.5.2б.

а б

Рисунок 5.1 - Подвійна НП гетероструктура: а) ескіз гетероструктури; б) енергетична діаграма при прямому зсуві р-n переходу.

Завдяки своїй простоті і низкій вартості, світлодіоди (СД) поширені значно ширше, ніж інжекційні лазерні діоди (ЛД). Проміжною конструкцією між ними виступають СЛД, які можно розглядати як ЛД з незадовільною якістю резонатора..

Показник заломлення (ПЗ) активного шару вище ПЗ обмежуючих пасивних шарів структури, завдяки чому рекомбінаційне випромінювання може поширюватися в межах активного шару, ви-пробуючи багаторазове відображення, що значно підвищує КПД ДВ

Гетерогенні структури можуть створюватися на основі різних НП матеріалів. Звичайно (як підкладку) використовують GaAs і InР. Відповідний композиційний склад активного матеріалу вибирається в залежності від довжини хвилі випромінювання і створюється за допомогою напилювання на підкладку (таблиця 5.1).

Довжину хвилі випромінювання λо визначають як значення, що відповідає максимуму спектрального розподілу потужності, а ширину спектра випромінювання ∆λ_0,5 - як інтервал довжин хвиль, у якому спектральна щільність потужності складає половину максимальної.

Таблиця 5.1 – Композиційні матеріали, які використовуються для створення джерел випромінювання різних довжин хвиль λ

5.2 Ватт-Амперні характеристики ДВ.

Типові Ватт-Амперні характеристики (ВтАХ) трьох типів ДВ представлені на рис.5.2а. ВтАХ являє собою залежність потужності випромінювання Р від струму накачування І_н. ВтАХ CД та СЛД порівняно лінійні, тому їх доцільно використовувати для аналогової передачі. У ЛД ця характеристика істотно нелінійна і має чітко виражену порогову залежність потужності випромінювання від струму накачування. При перевищенні струму накачування вище порогового І_n ЛД працює в режимі вимушеного випромінювання,

а в протилежному випадку – в режимі спонтанного випромінювання. Струм, що модулює, не повинен бути менше за І_n, бо перехід до режиму спонтанного випромінювання призводить до зниження швидкодії пристрою (затримка при вмиканні) та до розширення спектру випромінювання. З метою забезпечення високої швидкодії та вузького спектру випромінювання при модуляції ЛД створюють початкове зміщення постійним струмом, що приблизно дорівнює пороговому. При цьому слід мати на увазі сильну температурну залежність ВтАХ ЛД (рис.5.2а). Характеристики СД та СЛД мають набагато меншу температурну нестабільність. Принцип здійснення імпульсної модуляції інтенсивності випромінювання ДВ наведений на рис.5.2б.

Рисунок 5.2 – Ватт-Амперні характеристики ДВ.

Основні параметри ДВ наступні: тип випромінювача, довжина хвилі випромінювання і потужність, струм накачування, максимальна частота модуляції, ширина обвидної оптичного спектру випромінювання, тип оптичного елемента стикування з ОВ, геометричні розміри, ресурс роботи, діапазон робочих температур. Порівняльні параметри двох ДВ, що досліджуються в цій лабораторній роботі, наведені в табл.5.1. Вибір джерела оптичного випромінювання диктується особливостями ВОЛЗ, що проектується. Теоретично, ЛД найкращим чином підходять для ВОЛЗ, маючи малі габарити і масу, достатні ККД та швидкодію. За малих апертурних кутів вони дозволяють вводити до одно- та багатомодових ОВ потужність у декілька десятків міліватт, що дозволяє передавати інформацію на відстань у декілька десятків і сотень км без ретрансляції. Швидкість передачі може перевищувати 10 Гбіт/с. Недоліком ЛД є невеликий ресурс роботи (біля 10⁵ годин), а також сильна температурна і часова нестабільність рівню потужності випро-мінювання, що вимагає використання схем по її стабілізації.

СД та СЛД простіше та дешевші за ЛД, мають практично лінійну ВтАХ, більший ресурс роботи (більш 10⁶ годин), кращу температурну та часову стабільність. Однак для СД і СЛД характерні меньша швидкодія (1…2 Гбіт/с) та більше розходження випромінювання (ніж для ЛД), що дозволяє вводити навіть у багатомодове ОВ лише декілька процентів потужності випромінювання. За цих причин СД та СЛД доцільно використовувати в аналогових, а також в цифрових ВОЛЗ невеликої протяжності (без регенераторів) зі швидкостями передачі інформації до 1…2 Гбіт/с, наприклад, для з’єднувальних ліній між АТС у міській телефонній мережі.

Таблиця 5.1 Типові характеристики ДВ