Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

СИД представляет собой полупроводниковый прибор с р-n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.(СИД)

Когерентными источниками называют такие источники, которые излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника охваченное  объемным резонатором (например, Фабри-Перо).

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку  в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. (Рис.1.2)

Рисунок 1.2. Конструкция поверхностного светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой (Рис. 3).

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода.

В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии. При этом фотоны (кванты энергии),

 

 

Рисунок 1.3. Конструкция торцевого светодиода

(Ga- галлий, As – мышьяк, Al – алюминий)

 

случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции.

Данная мощность больше у торцевых СИД, их еще называют СЛД – супер люминесцентными диодами.

 

Основные характеристики светодиодов

1.     Ватт-амперная характеристика светодиодов - это зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4)

Рисунок 1.4 Ватт-амперные характеристики светодиодов

 

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ватт-амперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться .

2. Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (Рис. 5).

 

Рисунок 1. 5. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Δλ₁ (10 ÷ 30 нм), для поверхностного СИД Δλ₂ (30 ÷ 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций.

3.     Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве.

Рисунок 1.6. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Р_max/2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности (рис.6). Для поверхностного СИД величины φ_x =φ_y и могут составлять 110°...180°. Для СЛД величины φ_x и φ_y не равны и примерно составляют: φ_x = 60 °,

φ_y = 30.

4.    Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе "полупроводник – воздух" и "полупроводник – световод" из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

5.    Срок службы и надежность. Всем светодиодам присуще деградация параметров – постепенное уменьшение мощности при длительной эксплуатации. Срок службы зависит от материала и конструкции СИД, от температуры. При увеличении температуры на 10⁰ – 20⁰ срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СИД должен составлять 10⁵, для наземных и для подводных линий связи - 10⁶.

Полупроводниковые СИД  являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения  следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность (Рис.7).

Рисунок 1. 7. Схема включения СИД в коллекторную схему транзистора

На схеме СИД включается в коллекторную цепь транзистора. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет коллектором и током, являющийся одновременно током инжекции СИД. С помощью резисторов R₁ и R₂  можно подобрать  необходимое значение начального тока, пробегающего через СИД.

Реальные схемы модуляции, как правило, включают цепь стабилизации режима работы и цепь обратной связи, которая уменьшает нелинейность ватт-амперной характеристики СИД.

Итак, сравнительно простая конструкция, высокая надежность, слабая зависимость от температуры делают СИД особенно подходящими для ВОСП на короткие расстояния при относительно невысокой информационной пропускной способности.