Полупроводниковые источники излучения в ВОСП

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» 

Образовательная программа опережающей переподготовки специалистов в области волоконного лазеростроения 

Модуль 1. «Основы лазерной физики и волоконно-оптических систем связи»

Дисциплина 1.5. «ОСНОВЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ»

 

Реферат  

    на тему: 

Полупроводниковые источники излучения  в ВОСП 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                          Исполнитель: Тимошенко Е.В.

                                                                    
 
 
 
 
 
 
 

   Москва  2011 
 

   Оглавление 

Введение………………………………………………………………. 3

Светоизлучающие диоды .…………………………………………… 4

Полупроводниковый лазер……………………………………………7

Список литературы………........................................…………............13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей ил в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию р-п-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через р-n-переход позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки — от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью,— светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона. 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

      Светоизлучающие диоды 

      Принцип действия СИД  основан на явлении электролюминесценции, то есть излучения света материалами под действием электрического поля. Излучение фотонов обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. При протекании тока через p-n переход в прямом направлении наблюдается излучательная рекомбинация инжектированных не основных носителей. Наибольшее применение получили гетеропереходы.

     Гетеропереход – переход, образованный между материалами  со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной  зоны и показателями преломления.

СИД имеет  трехслойную структуру: пассивные  слои (1) и активный слой (2). В n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают соответствующие уровни в валентной зоне (рисунок 1).

     

     

      

     

Структура СИД

     

Диаграмма прямо смещенного перехода

 
 
 
 
 

     Распределение показателей преломления 
 

     Рисунок 1 
 

     В плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов – потенциальный барьер, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок n-область. При приложении прямого смещения наблюдается односторонняя инжекция электронов и дырок в активный слой. Высокая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала DЕ на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается  рекомендация носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света. СИД функционирует на основе спонтанного излучения и формирует некогерентные волны с .

     Соотношение показателей преломления активного  и пассивного слоев n₂>n₁ обеспечивает волноводный эффект и повышает КПД источника.

      При разработке конструкций СИД необходимо уменьшать поглощение фотонов полупроводником  и обеспечить эффективный ввод излучения  в волокно.

     Различают две структуры СИД: поверхностный  СИД (рисунок 2) торцевой СИД (рисунок 3).

     В поверхностном СИД – излучение выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно («пиглейл») присоединяется к поверхности источника через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучения в световод. 

     

     Рисунок 2 – Конструкция поверхностного СИД 

     В торцевом СИД – излучение выводится  с одного торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. Другой торец активного слоя выполняется  в виде зеркала. Излучающий торец  согласуется с ОВ линзовой системой. 
 

      

     Рисунок 3 – Конструкция торцевого СИД

      В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно  действуют два процесса генерации  света: первичное излучение возникает  в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное  - вынужденное излучение – является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мА.  

      Полупроводниковый лазер 

      Лазер – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного или стимулированного излучения. (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – аббревиатура выражение усиление света вынужденным излучением).

      Свойство  когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

      Процессы  переходов между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов можно связать между собой уравнением Эйнштейна:

                            (1)

где     E(f) – полная энергия фотонов на единицу объема материала;

      А₂₁ – коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня Е_С на уровень E_V;

      В₂₁ и В₁₂ – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня Е_С на E_V и наоборот; таким образом, произведение В₁₂E(f) характеризует вероятность поглощения, а произведение В₂₁E(f) – вероятность вынужденного излучения;

      N1 и N2 – число возбужденных электронов  на уровнях E_V и Е_С.

      Физический  смысл уравнения Эйнштейна можно  представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде стимулированного и спонтанного излучения.

      При прохождении волны через среду, в единице объема которой N1 электронов находятся в энергетическом состоянии Е_V и N2 электронов в состоянии Е_С она может поглощаться или усиливаться. В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N₁ всегда больше населённости верхнего N₂. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, то есть имеет место поглощение света.

      Для того чтобы процессы СТИ преобладали  над поглощением необходимо выполнить  условие:

                                                                                                                                          (2)

      При одинаковых В₂₁ и В₁₂ должны быть созданы условия инверсной населенности энергетических уровней N2 > N1, что трактуется как необходимость возбуждения электронов. При N₂ > N₁ вынужденные переходы E_с → E_v преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E_v → E_c. Излучаемые в результате вынужденных переходов волны по частоте, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн.

      Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней, способную усиливать излучение, обычно называют активной или лазерной. Процесс возбуждения среды с целью выполнения условия N₂ > N₁ – называется накачкой, а внешний источник возбуждения – источником накачки.

      В полупроводниках активную среду возможно создавать:

      инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

      оптическим  возбуждением

      В технике оптических систем связи  источником накачки полупроводниковых  материалов является источник электрического тока.

      Из  соотношения

                                                                              (3)

      Видно, что для преобладания СТИ над  СПИ необходимо получить высокую  концентрацию фотонов в веществе.

      В лазерах в качестве области пространства, в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f)>1) используется оптический резонатор (рисунок 4).  

      

 

        Рисунок 4 - Резонатор Фабри-Перо 

      Простейшим  оптическим резонатором является резонатор  Фабри – Перо. Его конструкция представляет два расположенных параллельно друг другу зеркала, выполненных на основе отполированных граней полупроводникового кристалла.

      Исходя  из вышеотмеченного, можно сделать  вывод о структуре лазера (рисунок  5)

      

 

      Рисунок 5 - Общая структура лазера 

      При малых токах накачки в активной области, подобно СИД, возникает  спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны (СПФ) во все стороны и большая  часть эту область покидает. Часть  фотонов спонтанного излучения  отразятся от зеркала РФП и пройдут строго в плоскости активной области к противоположному зеркалу.

      Спонтанное  излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E_с), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы других возбуждённых атомов и вследствие этого усилится.

      Усиление  зависит от пути, проходимого волной в среде, то есть от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль его оси.