Полупроводниковые лазерные диоды

Светоизлучающие диоды имеют спонтанное некогерентное излучение. Оно складывается из фотонов которые независимы друг от друга.. Мощность его относительно мала. Для повышения мощности излучения применяют полупроводниковые лазерные диоды. Их излучение сконцентрировано в узком диапазоне частот и является когерентным.

Когерентное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличие оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем у окружающей среды. В итоге получают световод, торцы которого с обеих сторон ограничены зеркальными гранями. Он, выполняет роль резонатора. Благодаря резонатору фотоны появившиеся в процессе рекомбинации многократно проходят через световод, отражаясь от его зеркальных граней, прежде чем выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало. Это позволяет получить монохроматическое когерентное излучение.

При токе инжекции ниже порогового значения I_пор, наблюдается спонтанное излучение, как в обычном светодиоде. При увеличении тока до I_пор (I_пор=50-150мА) и выше возникает когерентное излучение и резкое возрастание выходной мощности, например с 5 мкВт/мА до 200 мкВт/мА.

Полупроводниковые лазерные диоды широко применяются при создании волоконно-оптических линий связи и в измерительных устройствах различного назначения.

ОПТРОНЫ

Оптроны, или оптопары, – полупроводниковые приборы, состоящие из заключенного в один корпус светоизлучающего прибора и фотоприемника, связанные через оптическую среду, но развязанные гальванически.

Входной электрический сигнал подводится к излучателю и преобразуется им в световой, он через оптическую среду воздействует на фотоприемник и преобразуется им вновь в электрический. Смысл этого преобразования состоит в том, что входная и выходная цепи электрически полностью развязаны, а оптическая связь существует только в прямом направлении от входа к выходу. Основное назначение оптронов – гальваническая развязка электрических цепей, между которыми должна существовать связь для передачи информации.

В простейшем оптроне излучателем является лампочка накаливания, но обычно это инжекционный светодиод, что позволяет обеспечить высокое быстродействие оптронов.

Разновидности оптронов и их условно графические обозначения приведены на рис.7.16: диод-резисторный оптрон (а); диод-диодный оптрон (б); диод-транзисторный (в); диод-тиристорный оптрон (г).

Основные параметры оптронов можно разделить на четыре группы: входные, выходные, передаточные и параметры гальванической развязки.

Входные параметры характеризуют режим работы светоизлучателя: входные токи и напряжения (номинальные и максимальные), входная емкость.

Выходные параметры характеризуют режим работы фотоприемника и определяются типом фотоприемника.

Передача сигнала от входа к выходу характеризуется коэффициентом передачи по току K_I, граничной частотой входных сигналов f_гр, время нарастания t_нр и спада t_сп выходного импульса, время задержки фронта импульса t_зд, время включения t_вкл и выключения t_выкл.

Различают статический K_I=I_вых/I_вх и дифференциальный K_Iд=dI_вых/dI_вх коэффициенты передачи по току. Для тиристорного оптрона параметр K_I не имеет физического смысла, поскольку после включения он остается во включенном состоянии. Вместо него вводят ток спрямления по входу I_спр.вх – гарантированный минимальный входной ток оптопары, переводящий фототиристор во включенное состояние, а также максимально допустимый ток помехи I_пом.вх, при котором фототиристор еще не включается.

Параметры гальванической развязки: максимально допустимое напряжение между входом и выходом оптопары U_{разв.макс}; максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв.п.макс}; проходная емкость C_разв и сопротивление R_разв гальванической развязки; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом и выходом оптопары (dU_разв/dt)_макс. Параметр U_{разв.п.макс} характеризует электрическую прочность оптрона и обычно U_{разв.п.макс}>1 кВ.

В диод-диодных оптронах излучателем является светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником кремниевый фотодиод. Оптроны используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10⁶-10⁷Гц. Темновое сопротивление R_тм=10⁸-10¹⁰Ом, а сопротивление в открытом состояние порядка 10²-10³Ом. Сопротивление изоляции вход-выход порядка 10¹³-10¹⁵Ом.

Диод-транзисторные оптроны благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных, однако их частота коммутации не превышает 10⁵Гц.

Диод-тиристорные оптроны благодаря фототиристору позволяют коммутировать токи до 5А при входном, управляющем, токе менее 10мА и времени включении 10^-5с.

Аналоговые оптроны обычно реализуют на основе фоторезисторов и применяют для различных бесконтактных регулировок. Быстродействие резисторных оптронов невелико, не превышает 10³ Гц.

Схема гальванической развязки устройств А1 и А2 приведена на рис.7.17.

Устройство управления А1 и исполнительное устройство А2 должны иметь гальванически развязаные точки нулевого потенциала, т.е сопртивление между ними должно быть по возможности большим.