Світлодіоди

Завдяки своїй простоті та низькій вартості СД розповсюджені значно ширше, ніж ЛД. Базовими матеріалами для створення сучасних напівпровідникових випромінювачів та фотоприймачів є арсенід галію ( ) та фосфід індію ( ), а також сполуки на їх основі. ЛД і СД будуються переважно на основі подвійної гетероструктури, схематичне зображення якої у спрощеному вигляді подано на рис. 4.1.2

Принцип роботи світлодіода грунтується на випромінюючій рекомбінації носіїв заряду в активному шарі 1, що розташований між обмежуючими (пасивними) шарами 2, які формуються з напівпровідника з великою шириною забороненої зони. Границя розділу між двома шарами напівпровідникових матеріалів з різними має назву гетеропереходу. Особливістю, яка притаманна гетеропереходу є одностороння інжекція, зумовлена потенційним бар’єром . Цей потенційний бар’єр виникає на границі розділу внаслідок стрибка потенціалу. Тому, якщо прикласти до гетероструктури пряме зміщення, тобто пропускати через неї струм, електрони і дірки проникають в активний шар (гетероперехід) із межуючих пасивних шарів ( - і - шарів). Після цього електрони і дірки спонтанно рекомбінують, що супроводжується випромінюванням.

Довжина хвилі випромінювання зв’язана з шириною забороненої зони активного шару (в еВ) законом збереження енергії .

Показник заломлення активного шару більше показника заломлення шарів, які обмежують активний шар, завдяки чому виникає хвилевідний ефект. Внаслідок цього випромінювання розповсюджується вздовж активного шару, багатократно відбиваючись, що призводить до значного підвищення коефіцієнта корисної дії джерела.

Для роботи в діапазоні 0,8-0,9 мкм використовують гетероструктури на основі трикомпонентної сполуки типу . Для напівпровідникових джерел, що працюють у діапазоні 1.1-1.7 мкм, застосовують чотирикомпонентну сполуку .

Зауважимо, що випромінювання світлодіодів виникає як спонтанне випромінювання. Тому таке випромінювання є некогерентним, відносно широкосмуговим та слабоспрямованим. Ширина діаграми направленості світлодіодів зазвичай складає величину близько 120^о.

Особливо треба виділити суперлюмінесцентні світлодіоди. У цих діодах, окрім випромінювання внаслідок спонтанної рекомбінації, використовується випромінювання, яке виникає в процесі індукованої рекомбінації; відповідно вихідне випромінювання можна розглядати як підсилене в активному середовищі. Суперлюмінесцентні світлодіоди являють собою торцеві світлодіоди, які працюють при таких густинах струму інжекції, що в матеріалі активного шару починає спостерігатися інверсійна заселеність енергетичних рівнів.

Для підвищення ефективності введення використовують мікролінзи як ті, що формуються безпосередньо на поверхні приладу, так і зовнішні.

Найбільш поширені дві основні модифікації СД: поверхневі та торцеві.

У поверхневих СД випромінювання виводиться в напрямку, перпендикулярному до площини активного шару, в торцевих СД – у площині, яка паралельна площині активного шару. Виведення випромінювання в СД поверхневого типу на арсеніді галію здійснюють через круглий отвір у підложці світлодіода. В цей отвір встромляють оптичне волокно і кріплять його за допомогою епоксидної смоли. Таку конструкцію СД називають діодом Барраса. Відомі також конструкції поверхневих СД із виведенням випромінювання безпосередньо через підложку. Такі конструкції використовують у СД на чотирикомпонентній сполуці . В цьому випадку прозоре вікно – підложка з .

4.1.2. Лазерні діоди (ЛД)

Принциповою відмінністю лазерного світлодіода від простого світлодіода є наявність у нього вбудованого резонатора, що дозволяє при перевищенні певної величини струму (пороговому струмові) отримати режим індукованого випромінювання, яке характеризується високим ступенем когерентності.

Отже, ЛД працює при більших струмах накачування, ніж СД водночас має значно меншу ширину спектра випромінювання.

Залежність потужності випромінювання від струму накачування описується ват-амперною характеристикою ЛД. При малих струмах накачування лазер характеризується малим спонтанним випромінюванням (див. рис. 4.1.3). При перевищенні деякого порогового струму накачування потужність випромінювання починає різко зростати та воно стає когерентним. Тому для забезпечення нормальної роботи ЛД у динамічному режимі необхідне початкове зміщення робочої точки постійним струмом, який приблизно дорівнює , в точку трохи правіше цього значення. У протилежному випадку потужність випромінювання та швидкодія ЛД значно зменшаться, а ширина спектра випромінювання суттєво розшириться.

Нахил ват-амперної характеристики за точкою характеризує диференціальну квантову ефективність . Типові значення цієї величини складають 0.1-0.2 мВт/мА, а пороговий струм лежить у межах 10-100 мА.

Для ЛД характерна залежність та від температури. З ростом температури пороговий струм зростає, а падає. Зміна температури призводить також до зміни довжини хвилі випромінювання.

Для зменшення залежності характеристик ЛД від температури застосовують спеціальні заходи по стабілізації температури ЛД, наприклад, за допомогою елементів (мікрохолодильників) Пелтьє.

Для характеристики потужності випромінювання ЛД використовують не тільки традиційні (мВт, мкВт) а й специфічні одиниці (децибел-міліват (дБм)):

[мВт]. (4.1.1)

Ця одиниця характеризує рівень потужності порівняно з 1 мВт. Наприклад, 1мВт відповідає 0 дБм; 50 мкВт відповідає –13 дБм. Використання такої одиниці викликане тим, що її застосування спрощує енергетичні розрахунки бюджету ліній.

Звичайно потужність випромінювання, яка наводиться в характеристиках оптичних передавачів, може варіювати в певному діапазоні. У таких випадках вказують діапазон потужності випромінювання. Наприклад, запис –19/–14 дБм означає, що –19 дБм, а –4 дБм.

Смуга пропускання волокна обернено пропорційна ширині спектра випромінювання, що проходить через ОВ. Природно, що ця величина пов’язана із шириною спектра випромінювання джерела. Так, наприклад, якщо
4 нм смуга пропускання на 100 км складає 63 МГц, а при 0.2 нм 1260 МГц.

Найбільше розповсюдження отримали такі типи ЛД:

ЛД із резонаторами Фабрі-Перо (Фабрі-Перо-лазер);

ЛД із розподіленим оберненим зв’язком (РОЗ-лазер (РОС – російською));

ЛД із розподіленим брегівським відбиванням (РБВ-лазер (РБО – російською));

ЛД із зовнішнім резонатором.