Светодиоды как источники излучения в ВОЛС

Передающие оптоэлектронные модули
(ПОМ), применяемые в волоконнооптических системах, предназначены для
преобразования электрических сигналов в
оптические.
В любой конструкции ПОМ есть специальный
держатель, который позволяет закрепить и
защитить основные элементы:
− источник излучения;
− узел электрического интерфейса;
− место сопряжения с волокном.
ПОМ состоит из оптической части и электронной
схемы, основным назначением которой является
модуляция излучаемого света.
В оптической головке с светодиодом размещается
диод и модулятор тока накачки
Требования, которым должен удовлетворять источник
излучения, применяемый в ВОЛС:

излучение должно соответствовать длине волны одного из окон прозрачности
волокна.
В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых
достигаются меньшие потери света при распространении: 850 нм, 1300 нм
и 1550 нм;

источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции
для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая
часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы
сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько,
чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить
волокно или оптический приемник;

температурные вариации не должны сказываться на функционировании
источника излучения;

стоимость производства источника излучения должна быть относительно
невысокой.
Два основных типа источников излучения,
удовлетворяющие перечисленным требования
используются в настоящее время – светодиоды и
полупроводниковые лазеры.
Благодаря своей простоте и низкой стоимости,
светодиоды распространены значительно шире
В твердых телах переходы электронов между
состояниями возможны с испусканием или с
поглощением квантов света.
Четыре типа переходов:
A — межзонные переходы. Переходы электронов
между состояниями, расположенными в зоне
проводимости и запрещенной зоне;
 B — внутризонные переходы. Переходы электронов
между состояниями, расположенными только в зоне
проводимости или только в запрещенной зоне;
 C — переходы между примесными состояниями,
энергетические уровни которых расположены в
запрещенной зоне;
 D — переходы между примесными состояниями и
состояниями для электронов в зоне проводимости или
дырок в валентной зоне.

Для оптоэлектронных устройств наиболее
важными являются оптические переходы
типа A и типа D.
Межзонные переходы типа A обуславливают
наиболее сильное поглощение или
испускание света с энергией, близкой к
ширине запрещенной зоны: hν > Eg.
Эти оптические переходы также называют
фундаментальными.
В зависимости от типа кристаллической структуры и
характера химических связей в полупроводниках
реализуется определенная форма зависимости
энергии электронов E от волнового вектора k.
Полупроводники:
 Прямозонные (GaAs, GaP, GaN, InGaAsP);
 Непрямозонные (Ge и Si).
В непрямозонных полупроводниках вероятность
излучательной рекомбинации будет всегда меньше,
чем в прямозонных, поэтому для оптоэлектронных
устройств предпочтительнее использовать
полупроводниковые соединения с прямозонной
энергетической структурой.
Физической основой излучения света
(электромагнитного излучения) в твердых телах
является рекомбинация неравновесных
носителей.
Процесс введения в какую-либо область
твердого тела неравновесных носителей
называют инжекцией.
При анализе рекомбинации обычно имеют в
виду, что при инжекции меняется
концентрация неосновных носителей, в то
время как концентрация основных носителей
сохраняется. Это условие называют условием
низкого уровня инжекции.
Светодиод – это полупроводниковый диод на
базе p-n- либо гетероперехода,
излучающий кванты света при протекании
через него прямого тока.
По характеристике излучения светодиоды
разделяют на две группы:
светодиоды с излучением в видимой части
спектра;
 светодиоды с излучением в инфракрасной
части диапазона.

Спектральная характеристика излучения
светодиода при межзонных переходах
представляет собой монохроматическую
линию, полушириной kT и
центрированную при значении hν = Eg
Спектр излучения красного светодиода
АЛ112 при температуре T = 300 К
Спектральная чувствительность человеческого глаза
находится в диапазоне цветов от фиолетового до
красного и имеет максимум для зеленого цвета. По
длинам волн этот диапазон находится от 0,39 до 0,77
мкм, что соответствует энергии квантов света от 2,8 до
1,8 эВ.
Диаграмма хроматичности, показывающая
соотношение между тремя основными
компонентами цвета, необходимыми для
получения заданного цвет.
Цифрами указаны длины волн
монохроматического излучения,
соответствующие тому или иному цвету.
Цифрами в кружках отмечено расположение
типовых светодиодов.
Принцип действия светодиода основан на излучательной
рекомбинации инжектированных носителей в
прямосмещенном p-n переходе, где Lp диффузионная длина (~250 мкм).
Конструктивно в светодиодах используют
полупроводниковые структуры с плоской
геометрией, изготовленные по планарной
технологии
Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение)
формируются на подложках GaAs (а), тогда как
непрямозонные (оранжевое, желтое и зеленое
излучения) — на подложках GaP (б).
При использовании подложки GaAs на нее
наращивается
переходный
слой
GaAs(1–x)Px
переменного состава с х, изменяющегося в пределах
0—0,4, а затем слой GaAs(1–x) Px с постоянным
составом.
Конструкции светодиодов (а), (б) и
разрез трех светодиодов с
различными типами корпусов:
в) полусфера; г) усеченная сфера;
д) параболоид
Переходная область ограничивает образование
безызлучательных центров, обусловленных
различием решеток.
Фотоны, генерируемые в области перехода,
испускаются во всех направлениях, однако
наблюдателя достигает лишь та их часть,
которая проходит через поверхность.
Уменьшение количества излучаемых
светодиодом фотонов обусловлено
поглощением в материале светодиода,
потерями за счет отражения и потерями за
счет полного внутреннего отражения.
Областями применения светодиодов ИКизлучения являются оптоэлектронные
устройства коммутации, оптические линии
связи, системы дистанционного управления.
Наиболее распространенный в настоящее
время инфракрасный источник — это
светодиод на основе GaAs (λ = 0,9 мкм).
Он обладает наибольшей эффективностью
электролюминесценции в основном
благодаря тому, что среди всех прямозонных
полупроводников GaAs является
технологически наиболее освоенным.
Для изготовления инфракрасных светодиодов
используются многие другие
полупроводники, имеющие запрещенную
зону шириной менее 1,5 эВ. К ним
относятся твердые растворы, в состав
которых входят три или четыре элемента III и
V групп периодической системы. Среди
них твердый раствор переменного состава
GaInAsP (λ = 1,0—1,3 мкм), наиболее
популярный Ga0,28In0,72 As0,6 P0,4 (λ = 1,26
мкм).