Источники света, используемые в системах оптической связи

2.Светодиоди  
Строение
Простой светодиод изготавливается путем соединения полупроводников двух типов, каждый из которых содержит примеси, придающие ему соответствующие электрические характеристики. Область р-типа содержит примеси, в которых электронов меньше, чем атомов в кристаллической решетке, поэтому содержит атомы с избыточным положительным зарядом. Они известны как "дырки", поскольку создают для электронов возможность перемещаться по кристаллической решетке. Подобным же образом области n-типа используют примеси, содержащие избыток электронов по сравнению с атомами и являющиеся эффективными донорами электронов, так что в кристаллической решетке появляется избыток свободных электронов. Наиболее важные оптические полупроводники изготавливаются из элементов периодической системы групп III а и V a, как показано в табл. 6.1.
Табл. 6.1. Оптические полупроводниковые материалы

Группа Ша	Группа Va
Алюминий (Аl)	Азот (N)
Галлий (Ga)	Фосфор (P)
Индий (In)	Мышьяк (As)
	Сурьма (Sb)

Основные принципы работы светодиодов

Когда к р-области приложено положительное напряжение, а отрицательное напряжение приложено к n-области, электроны и дырки движутся к месту соединения двух областей, где они объединяются. Когда электрон объединяется с дыркой, атом возвращается в нейтральное состояние и освобождается энергия, которая преобразуется в световую энергию в виде фотонов. В простейшем случае излучаемая светодиодом энергия образуется при рекомбинации электронов и дырок, которые вводятся в зону соединения прямым смещающим напряжением (forward bias voltage).

Зонная теория дает простое объяснение полупроводниковой проводимости. Существуют два разрешенных энергетических уровня, разделенных запрещенной зоной, как показано на рис. 6.2. В верхнем уровне в n-области, известном как зона проводимости, несвязанные электроны могут двигаться свободно, тогда как на нижнем уровне р-области, известном как валентная зона, могут двигаться дырки.

Рис. 6.1. Принцип действия светодиода

Рис. 6.2. Запрещенная зона определяет выделение энергии

Размер запрещенной зоны определяет энергию излученного фотона. У различных полупроводниковых материалов разная энергия запрещенной зоны, энергия перехода (W) в электрон-вольтах (эВ) может быть связана с длиной волны (λ) через следующую формулу:

Обычные светодиоды, применяющиеся в волоконно-оптических системах, используют арсенид галлия и алюминия (GaAlAs) для длин волн от 800 до 900 нм и арсенид галлия (GaAs) для 930 нм. Светодиоды для использования с пластиковыми волокнами должны работать на длине волны примерно 630 нм, создаваемой компонентами на основе фосфида арсенида галлия (GaAsP). Для более длинных волн от 1300 до 1550 нм используются различные компоненты на основе фосфида арсенида индия и галлия (InGaAsP). Типы полупроводников, соответствующие им энергии запрещенных зон и длины волн показаны в табл. 6.2.

Табл. 6.2. Энергии запрещенной зоны и длины волн полупроводников

Полупроводник	Энергия запрещенной зоны (эВ)	Длина волны (нм)
GaAsP	1,88	660
GaAlAs	1,55-1,38	800-900
GaAs	1,33	930
InGaAsP	0,95-0,80	1300-1550

Геометрия светодиода

Существенной составной частью источников света является их способность вводить свет в узкий сердечник волокна. Базовые светодиоды, как подчеркивалось выше, излучают свет во всех направлениях. Это затрудняет направление света в волокно. Для концентрации свел в узкий пучок могут использоваться различные внутренние структуры. Двумя обычно используемыми схемами являются диоды Барруса (Burrus) и диоды, излучающие из кромки (edge emitting diodes).

В структуре диода Барруса, или диода с вытравленным каналом, для ограничения излучения света используется дыра, вытравленная в субстрате, сопряженном с внутренними структурами. Волокно может быть непосредственно введено в дыру в верхней части устройства для сбора выходящего света.

Диоды с излучением с торца (edge emitting diodes - ELED) генерируют свет в тонком узком активном переходном слое, как показано на рис. 6.3. Излучающая зона может быть толщиной всего несколько микрометров и шириной десять микрометров. Структур; включает в себя особенности, разработанные для ограничения выхода света и направления его к одному концу устройства. Такие устройства обычно дают меньше выходящей света, чем поверхностно-излучающие светодиоды, из-за меньшей поперечной площади активной излучающей зоны, но пучок более эффективно направляется в волокно. Более яркие и точные пучки требуют более сложной конструкции, сопряженной с более дорогими структурами с большим выделением тепла.

Рис. 6.3. Светодиод с излучением с торца

Рабочие параметры
Выходная мощность и питание

Выходная мощность обычно не превышает 1 мВт, но может быть и лишь несколько микроватт. Выходная мощность светодиода линейно зависит от прямого тока. Волоконно-оптические светодиоды обычно работают с токами от 20 до 100 мА и требуют прямого напряжения смещения от 1,2 до 1,8 вольт. При мощности рассеяния от небольшого устройства до 180 мВт необходима соответствующая охлаждающая конструкция для предотвращения избыточного повышения температуры и, как следствие, снижения надежности и срока службы устройства. По мере старения светодиодов их выходная мощность снижается.

Ширина спектра
Суммарная излучаемая передатчиком мощность распределяется по диапазону длин волн, сгруппированных вокруг основной длины волны. Это оценивается величиной ширины спектра hλ, в пределах снижения уровня мощности на 3 дБ и измеряемой обычно в нанометрах. Типичный светодиод, работающий на длине волны 850 нм, имеет ширину спектра примерно 40 нм, а светодиод, работающий на 1300 нм, - ширину примерно 80 нм. Большие значения ширины спектра вызывают повышение хроматической дисперсии светового импульса по мере его продвижения по волокну.
Рабочий срок службы
Сроком службы светодиода является время, в течение которого его световое излучение снижается до половины первоначального значения (то есть уменьшается на 3 дБ в основной рабочей длине волны). Хорошие светодиоды должны иметь срок службы около 105 часов (11 лет).
Модуляция
Цифровая модуляция излучения светодиода достигается простым включением и выключением источника тока светодиода.

Для аналоговой модуляции светодиода к нему требуется приложить смещение постоянного тока, чтобы гарантировать, что светодиод всегда находится под действием прямого напряжения смещения. Влияние Температуры

Допустимы рабочие диапазоны температур от -65 до 125°С. По мере увеличения температуры перехода выходная мощность снижается, обычно на 0,012 дБ/°С.
Конструкции светодиодов
Чипы светодиодов должны монтироваться в соответствующем корпусе, чтобы эффективно рассеивать тепло и дать возможность подключить к источнику света волокно. Производители используют множество различных подходов, включая прозрачные окна или линзы в металлических колпачках, дыры в корпусе для введения и склеивания волокон, присоединение косичек непосредственно к чипу или использование в чипах микроскопических линз для ограничения пучка. Два из них показаны на рис. 6.4. Использование большой линзы в качестве крышки устройства показано на рис. 6.4,а. Это создает большой пучок, поскольку дистанция, отделяющая линзу и светодиод как таковой, подходит лишь для волокон большого диаметра. На рис. 6.4,6 показано использование микролинзы, посаженной непосредственно на светодиод. В этом случае пучок не расширяется до его ограничения линзой, поэтому его можно эффективно направить в волокно с диаметром сердечника ,50 мкм. Потери, связанные с соединениями волокон и источников света, обсуждались в главе 5.

Рис. 6.4. Конструкции светодиодов

Лазерные диоды
Основные принципы действия лазеров
LASER означает Light Amplification by Simulated Emission of Radiation (усиление света три помощи индуцированного излучения). Светодиоды и лазеры используют очень сходные принципы действия.  Свет излучается из светодиода, когда электрон переходит с уровня с высокой энергией на уровень с низкой энергией. Если это происходит без постороннего влияния, то называется спонтанной эмиссией. Это имеет место в некоторых радиоактивных материалах. В светодиодах, обсуждавшихся в предыдущем разделе, для стимулирования излучения использовалось прямое напряжение смещения. Для перехода на более низкий уровень электрон, находящийся на уровне с высокой энергией, может также стимулироваться фотоном с достаточным уровнем энергии. Таким способом внешний фотон может стимулировать излучение вторичного фотона с той же самой длиной волны.

Лазер действует посредством оптического резонанса. Строение лазера очень схоже со строением светодиода, излучающего из кромки. У него тонкая узкая активная области с добавлением отражающих концов и отражающих сторон, как показано на рис. 6.5. В этом резонаторе свет ограничен и отражается взад и вперед через возбужденную сред) Для начала излучения фотонов к лазеру прилагают смещение. Фотоны отражаются назад и вперед и стимулируют дальнейшую эмиссию фотонов от ожидающих рекомбинации электронов. Свет, проходящий взад и вперед вдоль оси резонатора, продолжает свои движения и наращивает силу до тех пор, пока не сможет прорваться- через отражающий конец, и таким образом формируется лазерный пучок.

 

 

Рис. 6.5. Принцип действия лазерного диода

 Рабочие параметры
Лазеры должны работать с токами большей энергии, чем светодиоды, так чтобы создавать достаточно высокую плотность электронов, готовых к рекомбинации на высоком энергетическом уровне.

Выходная мощность и потребление мощности

Кривая оптической выходной мощности лазерного диода имеет два различных наклоне как показано на рис. 6.6. Когда ток ниже порогового значения, устройство работает как светодиод с низким или отсутствующим выходом. Действие лазера проявляется лишь при превышении порога. Пороговый ток обычно находится в диапазоне от 30 до 250 мА, с напряжением смещения от 1,2 до 2 вольт. Практические устройства обычно работают с током от 20 до 40 мА выше порога и могут генерировать выходную мощность света от 1 до 10 мВт в непрерывном режиме и даже больше при пульсировании с низкопроизводительными циклами. Некоторые лазеры работают с выходной оптической мощностью до нескольких сот милливатт.