Реферат: Источники излучения в интегрально-оптических схемах

Источники излучения в интегрально-оптических схемах.

Светодиоды, их свойства и технология изготовления.

Конструкции полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов (СД), применяемых в ВОСП, весьма разнообразны.Конструкции СД выбирают с таким расчетом, чтобы уменьшить собственное самопоглощение излучения, обеспечить режим работы при высокой плотности тока инжекции и увеличить эффективность ввода излучения в волокно.Для повышения эффективности ввода используют микролинзы как формируемые непосредственно на поверхности прибора, так и внешние.

В настоящее время получили распространение две основные модификации СД: поверхностные и 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.Для улучшения отвода тепла от активного слоя при высокой плотности токанакачки применяют теплоотводы.

Вывод излучения в СД поверхностного типа на арсениде галлия осуществляют через круглое отверстие, вытравленное в обложке.В это отверстие вставляют оптическое волокно и закрепляют его с помощью эпоксидной смолы.Такую конструкцию светодиода называют диодом Барраса.Известны также конструкции поверхностных СД с выводом излучения непосредственно через подложку.Такие конструкции применяются в СД на четырехкомпонентном соединении GaInAsP.В этом случае подложка из InP является прозрачным окном.

В торцевых СД с двойной гетероструктурой вывод излучения активного слоя осуществляют с торца, как и в лазерных диодах.Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется вдоль перехода.С помощью полосковой конструкции нижнего омического контакта, а также щели на задней части активного слоя активная область ограничена, что позволяет избежать лазерной генерации.Так как генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место самопоглощение излучения в этом слое.Для уменьшения самопоглощения активный слой выполняют очень тонким (0,03...0,1 мкм).В результате излучение распространяется главным образом в ограничивающем слое, который благодаря большой ширине запрещенной зоны имеет небольшие потери на поглощение.

Излучение СД возникает в результате спонтанной излучательной рекомбинации носителей заряда и поэтому является некогерентным, а следовательно относительно широкополосным и слабонаправленным.

Особо следует выделить суперлюминесцентные СД.В этих диодах помимо спонтанной рекомбинации с излучением используется процесс индуцированной рекомбинации с излучением; выходное излучение является усиленным в активной среде.Суперлюминесцентные СД представляют собой торцевые СД, работающие при таких высоких плотностях тока инжекции, что в материале активного слоя начинает наблюдаться инверсная населенность энергетических уровней.

Принципиальным отличием лазерного диода от СД является наличие в первом встроенного оптического резонатора, что позволяет при условии превышения током инжекции некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью когерентности.Наиболее часто в качестве оптического резонатора используют: плоский резонатор Фабри-Перо и его модификации, включая составные и внешние резонаторы, резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-резонатор) и с распределенным брэгговским отражателем (РБО-резонатор).Плоский резонатор образуется обычно параллельно сколотым торцам полупроводника, а РОС- и РБО-резонаторы --путем периодической пространственной модуляции параметров структуры, влияющих на условия распространения излучения.При совмещении периодической структуры с активной областью получают РОС-диод, а при размещении периодической структуры за пределами активной области — РБО-лазерный диод.

Преимуществами РОС- и РБО-лазерных диодов по сравнению с обычным лазерным диодом с резонатором Фабри-Перо являются: Уменьшение зависимости длины волны излучения от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и одночастотности излучения, практически 100-процентная глубина модуляции.Так, если в лазерном диоде с резонатором Фабри-Перо температурный коэффициент /> порядка 0,5...1 нм/°С.Кроме того РОС- и на отказ.Кроме того, для РБО-структуры позволяют реализовать интегрально-оптические схемы.Основным их недостатком является сложная технология изготовления.

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

Наиболее важными для применения в ВОСП параметрами являются: средняя мощность излучения, ширина излучаемого спектра, время нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении тока накачки, падение напряжения на диоде и наработка лазерных диодов и торцевых светодиодов, обладающих узкой диаграммой направленности, существенное значение имеют углы расходимости по уровню половинной мощности.Эти углы обычно определяют по направлению излучения в параллельной и перпендикулярной 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 в непрерывном режиме определяет полную мощность, излучаемую поверхностью активной области прибора в направлении вывода излучения.

Длину волны излучения />/>/>определяют как значение, соответствующее максимуму спектральн ого распределения мощности, а ширину излучаемого спектра />/>/> — как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной. Огибающая спектрального распределения излучения светодиода имеет примерно форму гауссовской кривой с />= 20.....50 нм. Для лазерных диодов с резонатором Фабри — Перо ширина спектра значительно уже ( порядка 1.....4 нм ) и еще меньше для РОС — и РБО — лазерных диодов, у которых в зависимости от конструкции она может составлять 0,1… 0,3 нм. Минимальная ширина спектра достигается в лазерных диодах с внешними резонаторами, у которых она в зависимости от типа резонатора лежит в пределах 1...1500 кГц.

Для высокоскоростных ВОСП важное значение имеют динамические свойства лазерных диодов, которые проявляются в зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения путем изменения тока накачки. У одномодового лазерного диода с резонатором Фарби — Перо увеличение скорости передачи сопровождается изменением модового состава, что характеризуется динамическим расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой />/> порядка 1....2 Ггц.Для РОС- и РБО-лазерных диодов при модуляции в диапазоне 0,25...2 Ггц имеет место лишь незначительный сдвиг />(порядка 0,2 нм) при сохранениии высокой степени подавления побочных мод.Поэтому эти лазерные диоды часто называют динамически одномодовыми.

Быстродействие источников излучения оценивается временем нарастания /> и временем спада /> мощности излучения при модуляции импульсами тока накачки прямоугольной формы достаточной длительности (/>).Для оценки и обычно используют уровни 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности.Часто быстродействие определяется максимальной частотой модуляции.Для светодиодов эта частота может достигать 200 Мгц, а у лазерных диодов — значительно больше (несколько Ггц).Ограничение частоты модуляции светодиодов связано со времененм жизни неосновных носителей, а лазерных диодов — с корреляцией 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 и ток накачки при прямом смещении.Кроме этих параметров статический режим работы характеризуется ватт-амперной характеристикой. На ватт-амперной характеристике лазерного диода можно выделить точку излома, которая определяется пороговым током накачки Iпор.При токах накачки выше порогового лазерный диод работает в режиме индуцированного излучения и мощность его очень быстро растет с увеличением тока накачки.Если ток накачки меньше порогового, то прибор работает в режиме спонтанного излучения и излучаемая мощность мала.Одновременно резко уменьшается быстродействие и существенно расширяется ширина излучаемого спектра.Поэтому лазерные диоды в динамическом режиме работы требуют начального смещения постоянным током, примерно равным пороговому току.Наклон ветви ватт-амперной характеристики лазерного диода, расположенной правее Iпор, характеризует дифференциальную квантовую эффективность /> д=dP/dIн, которая зависит от конструкции прибора и его температуры.Типичные значения дифференциальной квантовой эффективности лазерных диодов составляют 0,1...0,2 мВт/мА, а пороговый ток лежит в пределах 10...100 мА.

Для лазерных диодов характерна температурная зависимость порогового тока и дифференциальной квантовой эффективности.С ростом температуры пороговый ток увеличивается,

а дифференциальная квантовая эффективность уменьшается.Изменение температуры приводит также к изменению длины волны излучения.Наибольшей температурной нестабильностью обладают лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо.Лазерные диоды с РОС- и РБО-резонаторами более термостабильны.Для уменьшения температурных влияний применяют специальные меры, например используют теплоотводы с элементом Пелтье.Параметры и характеристики светодиодов имеют достаточно высокую температурную стабильность, что делает их более простыми в эксплуатации.

Надежность полупроводниковых излучателей определяется наработкой на отказ или интенсивностью отказов.Лазерные диоды, созданные в начале 80-х годов, обладали существенно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами.Однако в последнее время благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления ее удалось значительно повысить и довести до приемлемой величины.

Список литературы

Шашло М.В. Источники излучения в интегрально-оптических схемах.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.altai.fio.ru/