Светоизлучающие диоды. Полупроводниковые лазеры

Светоизлучающие диоды. Основным материалом как для светодиодов (СИД), так и для лазеров является арсенид галлия GaAs. Различие между ними состоит в том, что излучение в светодиодах спонтанное и некогерентное, а в лазерах стимулированное и когерентное. Важной особенностью светодиодов является присущая им деградация – постепенное уменьшение мощности излучения при длительном пропускании через прибор прямого тока.

Основными характеристиками светодиодов являются: длина волны излучения, ширина спектра излучения, мощность P, время переключения и диаграмма направленности излучения. Характерной особенностью светодиодов является практически линейная зависимость мощности излучения от тока накачки: P = f(Iн). Это позволяет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оптического излучения.

При использовании СИД в системах связи применяется только прямая модуляция интенсивности излучения с помощью изменения тока инжекции. 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. Сравнительно простая конструкция СИД, их высокая надежность и достаточно слабая зависимость характеристик излучения от температуры делают их особенно подходящими для ВОСП (волоконно-оптических систем передачи) на короткие расстояния при невысокой скорости передачи.

Полупроводниковые лазеры. Чтобы светодиод стал генерировать когерентное оптическое излучение, его необходимо поместить в открытый резонатор, обеспечивающий положительную оптическую обратную связь. В полупроводниковых лазерах (LASER – усиление света путем вынужденной эмиссии излучения) зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла.

Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл-воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения и большое усиление. Вообще лазер – это излучатель световых волн, представляющий собой генератор и систему положительной обратной связи. Полупроводниковые лазеры, изготовленные из одного вида полупроводника (чаще всего арсенида галлия – GaAs), называются гомолазерами.

В таком лазере очень велики потери в объемном резонаторе. Из-за этого для превышения порога генерации необходимы значительные токи, которые вызывают сильный нагрев кристалла и быстрое его разрушение. Но лазерный диод, предназначенный для связи должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с любыми модулирующими токами и не требовать при этом внешнего охлаждения. Поэтому гомолазер применяется для генерирования одиночных импульсов большой мощности и для оптической связи не используется (только в измерительных приборах).

Значительно более эффективны гетеролазеры (впервые появились в СССР), в которых уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик было достигнуто за счет использования многослойных полупроводников. Гетеролазеры – это инжекционные лазеры на основе гетеропереходов, в которых используют два вида полупроводников (обычно это GaAs и AlGaAs – арсенид галлия с примесью алюминия). С помощью таких лазеров удалось получить импульсный режим работы при комнатной температуре, а для некоторых специальных конструкций оказалась возможной работа и в непрерывном режиме.

Несколько позже появились новые лазеры на основе двойной гетероструктуры – полосковые лазеры (другое название - лазеры с полосковыми контактами или лазер с полосковой геометрией). У этих лазеров активная область была изготовлена в виде узкой полоски, заключенной внутри значительно более широкой пассивной части кристалла.

Эти лазеры имеют три важных преимущества перед другими подобными приборами:
1) излучение выходит через площадку малой мощности, что упрощает согласование лазера со световодом;
2) значительно упрощается теплоотвод, так как активная область (в которой выделяется тепло) находится внутри более холодного полупроводника;
3) уменьается рабочий ток лазера.

Для уменьшения количества генерируемых мод (что является необходимым условием увеличения скорости передачи информации) был разработан лазер с распределенной обратной связью (РОС). Системы обратной связи лазеров бывают дискретными – в виде расположенного вне лазерной среды оптического резонатора, состоящего в большинстве случаев из полупрозрачных зеркал, и распределенными – в виде структуры, где отражение создается периодическим изменением показателя преломления вдоль пути света.

В лазере с РОС для уменьшения числа мод в резонаторе создается либо периодическая неоднородность показателя преломления, либо периодическое изменение оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. Такие периодические структуры называются дифракционными решетками, имеющими для создания зеркального эффекта несколько сотен штрихов (по-другому - сотен периодов). В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки.

При этом расстояние между штрихами l_B (период) должно удовлетворять условию Брэгга: l_B = m/\ / 2n_эф , где n – порядок дифракции, /\ – длина волны света в материале, n_эф – эффективный показатель преломления волновода.

В лазере с РОС (Рис. 4.1) периодическая структура распределена по всей активной области генерации. Положительная обратная связь создается за счет обратного рассеяния Брэгга.

Лазер с РОС – это волновод с выступами и впадинами в виде дифракционной решетки. Световая волна, проходящая по такому волноводу, рассеивается всеми точками дифракционной решетки. Во многих точках свет понемногу рассеивается в противоположных направлениях, но в целом получается рассеяние большой интенсивности.

Длина волны в таком лазере определяется показателем преломления и от температуры практически не зависит.

Одно из применений распределенной обратной связи – лазер с распределенным брэгговским отражением (РБО), в котором такая система расположена с двух сторон активного слоя. Лазеры с такой структурой генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными для использования в качестве источников излучения при работе по одномодовому волокну и в системах передачи со спектральным уплотнением. Недостатком такого лазера является более высокая плотность рабочего тока.

Полупроводниковые лазеры имеют ограниченный срок службы, обусловленный постепенной и катастрофической деградацией. Постепенная деградация зависит от плотности тока и скважности импульсов, а причиной катастрофической деградации является перегрев лазерного диода, приводящий к разрушению торцов.