Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

выходит излучение, не намногим больше, так как активный слой

близок к поверхности и критический угол мал. Если воздушный

зазор мал, а диаметр волокна больше диаметра излучающей по-

верхности (рассматриваем ступенчатое многомодовое волокно),

то можно считать, что почти все излучение поступает на вход

волокна. Светодиод является диффузным источником, и в п. 8.4

было показано, что в волокно с числовой апертурой NA можно

ввести долю

общей мощности от такого ис-

точника.

)nn()NA(

−=

По аналогии с определениями внутренней и внешней кван-

товой эффективности можно определить квантовую эффектив-

ность для системы источник - волокно как отношение

числа фотонов, попавших в волокно, к общему числу электрон-

но-дырочных пар, прошедших в единицу времени через p-n -

переход. Тогда

вол

)nn()NA(

внеш

внешвол

−η=η=η . (15.1)

Если пренебречь самопоглощением в полупроводнике, то

)nn(Tf

внутрвол

−

′

η=η

. (15.2)

Для волокна с и источника на основе арсенида галлия

с и с

17,0NA =

024,0Tf =

′

5,0

внутр

, получаем

00035,0

вол

Низкая эффективность системы светодиод - волокно может

быть улучшена, если удастся уменьшить потери на френелев-

ское отражение. Один из способов осуществления этого показан

на рис. 15.3, а). Диод соединен с волокном клеем, имеющим ко-

эффициент преломления, близким по величине к коэффициенту

преломления волокна. Кроме того, поверхность диода просвет-

лена пленкой диэлектрического материала толщиной в четверть

длины волны. Такая конструкция может дать существенное уве-

личение мощности излучения, вводимой в волокно.

На рис. 15.3, б) и в) показаны линзовые устройства для вво-

да излучения в волокно. Они могут улучшить эффективность

связи только в том случае, когда диаметр волокна увеличен или

излучающая поверхность светодиода уменьшена.

131

Рис. 15.3. Согласующие устройства светодиод - волокно. а) -

использование специального иммерсионного наполнителя с ко-

эффициентом преломления, близкий к коэффициенту преломле-

ния волокна; б) - конец волокна заострен и закруглен в форме

линзы, собирающей расходящееся излучение; в) - сферическая

линза, расположенная на поверхности светодиода [4].

15.2. Использование гетероструктур в светодиодах

Выше обсуждались p-n - переходы, образованные введением

небольшого количества примесей в полупроводниковый мате-

риал. Они могут быть названы гомопереходами. Однако суще-

ствуют совершенно различные полупроводники, которые имеют

одинаковые или почти одинаковые постоянные кристалличе-

ской решетки, поэтому они могут образовывать один монокри-

сталл. При этом они имеют разную ширину запрещенной зоны и

различные параметры. Переходы между полупроводниками с

различными свойствами, но имеющими согласованные решетки,

называют гетеропереходами.

В гетеропереходах каждый из полупроводников может быть

n- типа или р- типа. Будем использовать для обозначения мате-

риалов с широкой запрещенной зоной обозначения прописной

буквой N или P, а для материалов с узкой запрещенной зоной

обозначения строчной буквой n или р. На рис. 15.4 схематиче-

ски изображена двойная гетероструктура. Узкозонный материал

n- или р- типа находится между слоями широкозонного мате-

риала N- или Р- типа. Генерация возникает в Р-n- или р-N- пере-

ходе. Двойная гетероструктура на основе широко приме-

GaAs

132

няется в источниках света для систем связи.

p - GaAs

n или p - GaAs

N - GaAlAs

n - GaAs

Контактный слой

Ограничивающий сло

Активный слой

Ограничивающий сло

Контактный слой

Электрод

P - GaAlAs

Рис. 15.4. Схематическое изображение двойной гетерострукту-

ры.

Использование гетероструктур приводит к следующим за-

мечательным результатам:

Увеличение эффективности инжекции (сверхинжекция).

Ограничение неосновных носителей. Благодаря наличию

потенциального барьера на границе полупроводников с различ-

ной шириной запрещенной зоны отсутствует сквозное прохож-

дение электронов и дырок, вследствие чего рекомбинация со-

средоточена в среднем слое.

Прозрачность широкозонного материала. Излучение, заро-

дившееся в узкозонном материале, не может возбудить зона-

зонный переход в широкозонном материале. В результате этого

слои 2 и 3 на рис. 15.4 оказываются значительно более прозрач-

ными для излучения из материала 1, чем сам этот материал.

Волноводный эффект. Вследствие разницы показателей пре-

ломления слой 1 гетероструктуры выполняет роль высококаче-

ственного диэлектрического волновода, излучение сосредоточе-

но в 1 слое, и световые потери во внешних слоях отсутствуют.

Благодаря применению гетероструктур были созданы низ-

копороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непре-

133

рывном режиме при комнатной температуре, и высокоэффек-

тивные светоизлучающие диоды.

Достоинства гетероструктуры наиболее полно могут про-

явиться в светодиоде Барраса (рис. 15.5).

Эпоксидная

смола

Контакт

Многомодовое волокно

Сердцевина ~ 50мкм

Покрытие ~ 125 мкм

40 мкм

10 мк

1 мкм

n-Ga As подложка

~ 40 мкм

2-миллиметровая

серебрянная шпилька

Активная область

Область, облученная

протонами

Рис. 15.5. Светодиод Барраса на основе двойной гетерост-

руктуры. Показано эпоксидное согласующее соединение с во-

локном. Слои: 1 - ; 2 - ; 3 -

; 4 - р

GaAlAsn − GaAsрилиn −−

GaAlAsp −

- GaAs контактный слой. Активная область

ограничена изолятором, полученным в результате облучения

протонами.

На рис. 15.6 изображен светодиод на основе

двойной гетероструктуры с самоюстирующейся сферической

линзой для увеличения мощности, вводимой в волокно.

GaAs/GaAls

На рис. 15.7 показан светодиод на основе двойной гетерост-

руктуры . Подложка из прозрачна для излуче-

ния. Используется сферическая линза из стекла с высоким пока-

зателем преломления.

InP/GaInAs InP

134

Сферическая линза (n=2,0)

Металл

Zn р -слой

n - Ga As подложк

Металл

Припой

Эпоксидная

смола

N - GaAlAs

P - GaAlAs

P - GaAs

N - GaAlAs

Поглотитель тепла

Рис. 15.6. Светодиод на основе двойной гетероструктуры с са-

моустанавливающейся сферической линзой [4].

Микролинза

(Ti

: SiO

стекло n=1,9)

N - InP подложк

p - GaInAsP

P - InP

р - контакт

Золотой поглотитель тепла

n - контакт

N - InP

SiO

Волокно

Активная

область

Рис. 15.7. Светодиод на основе двойной гетеростуктуры для

длинноволнового диапазона.

На рис. 15.8 представлена еще одна конструкция светоизлу-

чающего диода на основе двойной гетероструктуры. Поскольку

подложка из прозрачна для излучения светодиода, имеется

возможность изготовления монолитной микролинзы.

InP

135

Волокно со сферическим

концом

InP линза

Покрытие

(Si O2 - чистый для анализа)

n - контакт

N - InP подложк

N - InP

n - InGaAsP

p - InP

P - InGaAsP

Si O

Пластина Au

Поглотитель тепла

Рис. 15.8. Вариант светодиода на основе двойной гетерострук-

туры для длинноволнового диапазона.

Светодиод с торцевым излучением на основе двойной гете-

роструктуры, показанный на рис. 15.9, дает излучение с очень

маленькой поверхности. Благодаря полному внутреннему отра-

жению оптическое излучение распространяется в волноводном

слое вдоль перехода. Активная область ограничена полосковым

контактом и щелью на задней части активного слоя. Это позво-

ляет сделать активную область достаточно короткой, чтобы не

возникали лазерные колебания. Световое излучение может са-

мопоглощаться в активном слое, но он сделан очень тонким, в

результате чего большая часть оптической мощности распро-

страняется в слое, который ее не поглощает, так как имеет более

широкую запрещенную зону. Поглощение оказывается макси-

мальным для коротковолнового излучения, что существенно

сужает спектральную ширину линии. Действие оптического

волновода приводит к сужению диаграммы направленности из-

лучения до 30

. Это, а также малая площадь излучателя, делает

светодиод с торцевым излучением хорошо приспособленным

для работы с линзовым согласующим устройством. В приборах

этого типа, однако, труднее осуществить теплоотвод.

136

Выходной

пучок

Аи - контакт и

поглотитель тепла

Показатель

преломлени

Контактная

пластина

Щель

Контакт

130 мкм

50 мкм

n - GaAs

подложка

3 мкм

2 мкм

0,05 мкм

2 мкм

3 мкм

~120

~30

Рис. 15.9. Светодиод на основе гетероструктуры с торцевым из-

лучением

Выводы

Приведены конструкции различных типов светоизлучающих

полупроводниковых диодов. Рассмотрены преимущества ис-

пользования в полупроводниковых диодах двойной гетерост-

руктуры.

Вопросы и задачи

15.1. Как определяется квантовая эффективность системы све-

тодиод - оптическое волокно?

15.2. Как можно увеличить квантовую эффективность системы

светодиод - волокно?

15.3. Что такое гетероструктура?

15.4. Какие преимущества демонстрируют гетероструктуры при

излучении по сравнении с обычным p-n - переходом?

137

ЛЕКЦИЯ 16

Принципы работы лазера.

16.1. Основные элементы лазера

Лазер - оптический квантовый генератор - это устройство,

преобразующее различные виды энергии (электрическую, све-

товую, химическую и др.) в энергию когерентного электромаг-

нитного излучения оптического диапазона. Термин лазер обра-

зован из начальных букв английского выражения light amplifi-

cation by stimulated emission of radiation, что означает усиление

света с помощью индуцированного излучения. Любой лазер,

работающий как генератор когерентного излучения, должен со-

стоять из трех элементов:

устройства, поставляющего энергию,

усиливающей среды, преобразующей полученную энергию в

когерентное излучение,

устройства, осуществляющего обратную связь (резонатора).

16.2. Резонатор Фабри – Перо

В простейшем случае оптический резонатор представляет

собой два плоских зеркала, расположенных параллельно друг

другу, между которыми находится усиливающая среда. Это и

есть резонатор Фабри - Перо (рис. 16.1). Излучаемая в усили-

вающей среде волна отражается от зеркал и вновь возвращается

в активную среду, вызывая индуцированное излучение. Одно из

зеркал делается полупрозрачным для выхода части излучения.

Рис. 16.1. Схема лазерного резонатора.

138

Рассмотрим одномерный случай распространения электро-

магнитной волны в резонаторе, образованном двумя проводя-

щими плоскостями и . В этом случае решение

уравнений Максвелла представляет собой суперпозиция волн,

распространяющихся навстречу друг другу

zz =

)zkt(i)zkt(i

eBeAE

+ω−ω

+= . (16.1)

Учитывая граничные условия и ,

получим

0)zz(E

== 0)zz(E

0eBeA

)zkt(i)zkt(i

−

0eBeA

)zkt(i)zkt(i

−

Или

)zz(ki2

−

. (16.2)

Обозначим . Тогда p, где р - целое число.

Учитывая, что волновое число

dzz

=− 2dk2 π=

π= /2k, получим выражение

для длины волны, которая может распространяться в резонато-

ре:

=λ

. (16.3)

Соответствующее соотношение для частот

=ν

. (16.4)

Таким образом, в резонаторе могут существовать только волны,

длина волны и частота которых определяется формулами (16.3)

и (16.4), то есть

резонатор осуществляет квантование частот.

Лазерные резонаторы обладают высокой добротностью

порядка . Добротность связана с относительной ши-

риной спектральной линии резонатора

1010 ÷

νΔ

= . (16.5)

Таким образом, ширина полосы пропускания резонатора

Δ мала, и лазерные резонаторы характеризуются

139

очень высокой избирательностью по частотам (длинам волн)

(см. рис. 16.2).

p+1

Рис. 16.2. Селекция частот в резонаторе Фабри - Перо.

Наиболее благоприятные условия для генерации излучения

в активной среде возникают, когда резонансная частота испус-

каемой спектральной линии ν

и собственная частота резонато-

ра ν

совпадают. В этом случае излучается максимальная

мощность. По мере отклонения излучаемой частоты от

генерируемая мощность уменьшается и при достаточно боль-

шой расстройке может исчезнуть.

16.3. Усиливающая среда. Инверсия населенностей

Возбужденный атом может испускать квант света при пере-

ходе из состояния с энергией в состояние с меньшей энерги-

ей . Энергия испущенного кванта определяется соотношени-

ем

1221

EEh −=

. (16.6)

При этом возможны два типа излучения:

спонтанное,

индуцированное (вынужденное).

Спонтанное излучение происходит самопроизвольно в

произвольный момент времени (рис.16.3, б). При этом частота

кванта света будет также произвольной (в пределах контура

спектральной линии). Произвольным будет также его направле-

ние распространения и фаза. Таким образом, спонтанное излу-

чение является некогерентным и играет роль собственных шу-

140