 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Теоретические сведения
В современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) в качестве источников света используются полупроводниковые источники излучения - СИД и ЛД. Технология производства и химический состав материалов, из которых они изготовлены, определяют их основные характеристики:
длину волны излучения l (мкм);
оптическую мощность Р (Вт);
степень когерентности оптического излучения;
коэффициент поляризации оптического излучения q;
ширину спектра оптического излучения Dl (мкм) и его состав;
угловую расходимость (ширину диаграммы направленности) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Физический смысл всех этих характеристик будет пояснен ниже.
Основой для любого полупроводникового излучателя является область контакта двух материалов с различными типами проводимости. В простейшем случае – это обычный p-n - переход, который образован за счет введения донорных и акцепторных примесей в исходный материал подложки.
Любой полупроводниковый материал принято характеризовать энергетической диаграммой (рис.1), на которой указываются уровни соответствующие:
нижней границе зоны проводимости Еп;
верхней границе валентной зоны Ев;
уровню Ферми Еf, вероятность заполнения которого равна 0,5.
Параметром материала является также ширина запрещенной зоны:
Е g = Еп – Ев. (1)
Из дальнейшего изложения будет ясно, что излучение формируется за счет перехода электронов с энергетических уровней, находящихся вблизи нижнего края зоны проводимости, на уровни у верхнего края валентной зоны. Высвобождающаяся при этом энергия Еф обеспечивает рождение фотона. Длина волны l, соответствующая этому фотону, определяется соотношением:
l = 1,24 / Еф. (2)
 |
В формуле (2) длина волны выражена в микрометрах, а энергия – в электрон-вольтах. Ясно, что Еф ³ Е g, поэтому для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещенной зоны. Это обеспечивается выбором их химического состава.
Для обеспечения генерации в области первого окна прозрачности волоконного световода (l = 0,8 – 0,9 мкм) используют соединения на основе арсенида галлия (GaAs), а для следующих окон прозрачности (l = 1,3 мкм и l = 1,5 мкм) соединения на основе фосфида индия (InP).
При отсутствии напряжения, приложенного к переходу, в области контакта двух полупроводников возникает разность потенциалов Uд, которая препятствует проникновению в материалыn- и p-типа неосновных носителей (дырок и электронов соответственно). График зависимости концентрации электронов и дырок от пространственной координаты х, направленной поперек перехода, показан на рис. 2, на котором пунктирные кривые соответствуют несмещенному переходу. На графиках отмечены невозмущенные значения концентраций:
–n n+, p p – концентрации основных носителей в полупроводниках n и p типа соответственно. Индекс (+) используется для того, чтобы подчеркнуть неравенство концентраций nn+ > pp – на практике всегда один из проводников легирован сильнее;
–p n, n p – значения концентраций неосновных носителей в полупроводниках n и pтипа соответственно.
Положительное смещение U приложенное к переходу снижает потенциальный барьер, и в результате через переход протекает ток за счет инжекции неосновных носителей (дырки – в полупроводниках n - типа, электроны – в полупроводниках p-типа). В окрестности перехода происходит резкое уменьшение концентрации основных носителей в контактирующих материалах (см. рис. 2,?), поэтому в теории полупроводников эта область называется обедненным слоем. С другой стороны количество электронов и дырок здесь достаточно велико для того, чтобы за счет их рекомбинации возникло значительное излучение.
Очевидно, что интенсивность излучения напрямую связана с величинами концентраций носителей в обедненном слое и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счет увеличения тока, протекающего через переход. Таким образом, энергия внешнего источника, обеспечивающего протекание тока, преобразуется в энергию излучаемых фотонов. Этот ток принято называть током накачки (Iн).
Для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении перехода добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом. Этот факт уже упоминался при анализе графиков, приведенных на рис. 2,?. Типичные значения величин следующие: nn+ = 1024 (1/ м3); pp = 1022 (1/ м3).
При отсутствии напряжения, приложенного к переходу, в области контакта двух полупроводников возникает разность потенциалов Uд, которая препятствует проникновению в материалыn и pтипа неосновных носителей (дырок и электронов соответственно). График зависимости концентрации электронов и дырок от пространственной координаты х, направленной поперек перехода, показан на рис. 2,?. Пунктирные кривые соответствуют несмещенному переходу. На графиках отмечены невозмущенные значения концентраций:
- n n+, pp - концентрации основных носителей в полупроводниках n и pтипа соответственно. Индекс (+) используется для того, чтобы подчеркнуть неравенство концентраций nn+ > pp - на практике всегда один из проводников легирован сильнее;
- p n, np - значения концентраций неосновных носителей в полупроводниках n и pтипа соответственно.
Положительное смещение U приложенное к переходу снижает потенциальный барьер и в результате через переход протекает ток за счет инжекции неосновных носителей (дырки - в полупроводниках n - типа, электроны - в полупроводниках p-типа). В окрестности перехода происходит резкое уменьшение концентрации основных носителей в контактирующих материалах (см. рис.2), поэтому в теории полупроводников эта область называется обедненным слоем. С другой стороны количество электронов и дырок здесь достаточно велико для того, чтобы за счет их рекомбинации возникло значительное излучение.
Очевидно, что интенсивность излучения напрямую связана с величинами концентраций носителей в обедненном слое и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счет увеличения тока, протекающего через переход. Таким образом, энергия внешнего источника, обеспечивающего протекание тока, преобразуется в энергию излучаемых фотонов. Этот ток принято называть током накачки (Iн).
Для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении перехода добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом. Этот факт уже упоминался при анализе графиков, приведенных на рис. 2. Типичные значения величин следующие: nn+ = 1024 (1/ м3 ); pp = 1022 (1/ м3).
Обычно разница в величинах nn+ и pp столь велика, что для практических расчетов можно считать, что ток накачки в основном обусловлен инжекцией электронов в полупроводниках p типа. Инжекция дырок в сильнолегированный полупроводник nтипа может привести к появлению большого числа неосновных носителей (дырок) вне обедненного слоя (см. рис 2). Они будут рекомбинировать с электронами, не обеспечивая при этом заметного вклада в суммарное излучение. В результате количество инжектируемых в обедненный слой электронов сокращается и интенсивность излучения уменьшается.
Качество источника, характеризующее долю тока накачки, которая используется на создание излучения, принято характеризовать параметром hинж, который носит название «эффективность инжекции». Для данного случая он определится отношением электронного тока через переход к полному току (электронному и дырочному). В реальных устройствах стремятся приблизить значение hинж к единице, для чего используются специальные технологические приемы, которые будут рассмотрены ниже.
Электроны, инжектированные в обедненный слой, рекомбинируют с дырками. Но не каждый акт рекомбинации приводит к рождению фотона. Наряду с излучательными переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону происходят и безизлучательные, при которых высвобождающаяся энергия тратится, например, на создание колебаний кристаллической решетки. В конечном итоге все безизлучательные переходы ведут к повышению температуры обедненного слоя. Эффективность использования инжектированных в обедненный слой электронов характеризуется параметром hэф, который носит название «внутренняя квантовая эффективность». Он определяется отношением количества фотонов, рожденных в единицу времени, к количеству актов рекомбинации за этот же временной промежуток.
Ясно, что и этот параметр необходимо стремиться сделать близким по величине к единице. Детальный анализ процессов, происходящих в полупроводниковых излучателях, показывает, что, как и эффективность инжекции, hэф увеличивается за счет роста тока накачки.
Важным моментом при разработке конструкции полупроводникового источника является обеспечение условий оптимального вывода созданного излучения в свободное пространство. Если источник используется в оптической линии передачи, то необходимо предусмотреть элементы обеспечивающие его согласование со входным торцом волоконного световода. На рис. 3 приведены два возможных варианта топологической схемы поперечного сечения излучателей.
В первом варианте (рис.3, а) родившиеся в результате рекомбинации носителей в обедненном слое фотоны покидают его, распространяясь в поперечном направлении. Прежде чем дойти до поверхности излучателя, фотоны испытывают значительное поглощение в материале полупроводника. Кроме того, они испытывают значительное отражение от поверхности раздела «полупроводник – внешняя среда». По такой технологии изготавливаются самые простейшие излучатели, которые используются в устройствах, где не требуется большая оптическая мощность.
Упрощенная топологическая схема излучателя с осевым излучением показана на рис. 3, б. В ней за счет специальных технологических приемов обеспечивается распространение рождающихся фотонов (или оптической волны в волновой трактовке явлений, происходящих в излучателе) вдоль обедненного слоя. Для оптической волны он представляет собой отрезок диэлектрического волновода, поскольку обедненный слой обладает более высоким значением диэлектрической проницаемости по сравнению с окружающими его материалами. Поэтому на границах его выполняются условия полного внутреннего отражения. Потери на отражение от границы раздела «полупроводник – внешняя среда» и на распространение до нее в материале излучателя в этом случае существенно меньше.
Рис. 3. Варианты топологической схемы излучателей: а – упрощенная топологическая схема излучателя с поперечным излучением;
б – упрощенная топологическая схема излучателя с осевым излучением
Характерные размеры поперечного сечения излучающих площадок рассмотренных излучателей показаны на рис. 3. В первом случае у источника с поперечным излучением размеры площадки соизмеримы с размерами поперечного сечения многомодового волокна. Источник с осевым излучением может работать как с одномодовым так и с многомодовым волокном, поскольку размеры его излучающей площадки могут меняться в широких пределах за счет использования различных технологических приемов.
При анализе характеристик источника необходимо учитывать два различных варианта генерации фотонов. Если число актов излучательной рекомбинации, совпадающее с числом рожденных фотонов, невелико, то каждый из них происходит самостоятельно. Сформированное таким образом излучение называется спонтанным. С точки зрения квантово-механической теории ему следует сопоставить поток фотонов, различающихся энергией и импульсом.
Это объясняется тем, что инжектированные в обедненный слой электроны и дырки занимают различные энергетические уровни у краев валентной зоны и зоны проводимости. Распределение их концентраций, совмещенное с энергетической диаграммой, характерное для одной из областей, находящейся полностью внутри обедненного слоя, показано на рис. 4, а. Спектральный состав такого излучения - зависимость спектральной плотности мощности S(l) от длины волны показан на рис. 4, б. Величина S(l) характеризует долю излученной мощности, приходящейся на заданную длину волны. Ширина спектра излучения определяется по уменьшению S(l) в два раза.
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник, в котором преобладает спонтанное излучение, принято называть светоизлучающим диодом. Для него ширина спектра составляет обычно величину: Dl = (30 - 50) нм.
Сформированное с помощью СИД излучение является немонохроматичным, что необходимо учитывать при использовании его в реальных схемах.
Еще одной особенностью такого источника является его некогерентность. Физический смысл этого понятия будет пояснен ниже при анализе работы лазерного диода. Кроме того, излучение СИД неполяризовано. Все эти обстоятельства обуславливают использование его в системах связи только совместно с многомодовым волокном.
При использовании любого полупроводникового источника в составе аппаратуры волоконно-оптической системы связи необходимо предварительное исследование его ватт-амперной характеристики. Она устанавливает связь между излученной оптической мощностью Р и током накачки Iн. Ее качественный вид для СИД показан на рис. 5. Следует отметить ее линейность, обуславливающую широкое применение такого источника в реальных линиях связи с аналоговыми методами модуляции.
Иной механизм излучения фотонов связан с их квантово-механической природой. Особенность поведения этих частиц состоит в следующем. Вероятность излучательной рекомбинации электрона и дырки и появления фотона с энергией Еф в некоторой области полупроводника тем выше, чем большее количество частиц с такой же энергией уже существует в окрестности этой точки. Акт рекомбинации совершается под воздействием уже имеющихся фотонов. Таким образом, формируется индуцированное излучение.
Все излученные фотоны в этом случае будут иметь одинаковую энергию и импульс. Можно считать, что таким образом происходит выстраивание частиц друг за другом в цепочку. С волновой точки зрения они образуют отрезок оптической волны, который существует на конечном интервале времени tк. В пределах этого интервала ее можно считать «почти» монохроматической, поскольку определены и неизменны во времени (в течение этого интервала) амплитуда, частота и фаза.
Значение tк определяет время когерентности источника излучения и является одним из основных его параметров. С ним связано понятие о длине когерентности lk, которая определяется как расстояние, которое проходит сформированный отрезок «почти» монохроматической волны за время когерентности:
lk = tк×с, (3)
где с = 3×108 м/сек - скорость света.
Физический смысл этих понятий можно пояснить, анализируя эксперимент, схема которого показана на рис. 6.
 | |||
|
Излучение от источника попадает на светоделитель СД1 и далее поступает на экран Э по двум путям:
прямой путь длиной l1: СД1 - СД2 - Э;
ломаный путь длиной l2: СД1 - зеркало З1 - З2 - СД2 - Э.
На экране будет наблюдаться результат сложения двух потоков фотонов - суммарная интенсивность I, которая в общем случае будет меняться вдоль направления x(рис.7).
Если разность путей Dl = l2 - l1 < lk, то на экране будет наблюдаться ярко выраженная интерференционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных областей. Контраст g этой картины определяется максимальными Imax и минимальными Imin значениями суммарной интенсивности (см. рис. 7, а):
g = (Imax - Imin) / (Imax + Imim ) @ 1. (4)
|
| |||||
|
Если разность путей становится соизмеримой с длиной когерентности, то контраст интерференционной картины начинает уменьшаться и полностью исчезает при D l > l k (рис 7.б).
В первом случае на экран приходят по двум разным путям части одного и того же волнового отрезка. Поэтому все фазовые соотношения между волнами сохраняются и явление интерференции наблюдается. Эти волны складываются с учетом фазовых соотношений между их частями.
Во втором случае на экран попадают части, принадлежащие различным волновым отрезкам. В этом случае фазовые соотношения между ними не могут быть установлены и интерференции нет. Происходит сложение интенсивности пришедших на экран волновых отрезков без учета их частоты и фазы.
У СИД преобладает спонтанное излучение, поскольку длина когерентности такого источника составляет всего единицы микрон. Увеличить ее можно, создав высокий уровень концентрации носителей в обедненном слое, что требует повышения тока накачки. При этом, как показывают более строгий анализ, индуцированные переходы будут преобладать над спонтанными. Достигаются эти условия в лазерном диоде (ЛД).
Простое повышение тока накачки еще не обеспечит генерацию оптической волны. В этом случае для появления индуцированного излучения в область обедненного слоя необходимо ввести внешний сигнал - поток фотонов с заданной энергией, который инициирует начало процесса формирования отрезка монохроматической волны. Такое устройство будет выполнять функции оптического усилителя.
Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить условия баланса амплитуд и фаз. Упрощенная физическая модель такого устройства приведена на рис. 8. Она включает в себя активную область АО, в которой за счет энергии внешнего источника создаются условия для появления индуцированного излучения. В рассматриваемом случае роль активной области выполняет обедненный слой, в котором за счет энергии источника тока накачки обеспечивается необходимое число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.
Активная область заключена между двумя полупрозрачными зеркалами З (см. рис. 8), которые отражают часть потока фотонов и возвращают ее в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала З представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо.
Источник тока накачки создает необходимую концентрацию носителей в обедненном слое - все нижние уровни зоны проводимости заселены электронами, а все верхние уровни валентной зоны свободны. Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение баланса амплитуд.
Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса - вдоль длины резонатора должно укладываться целое количество резонансных полуволн:
L = p (lр / 2); (5)
где L - длина пути, по которому распространяется излучение в резонаторе;
p - целое число.
Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора и обеспечивают положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение баланса фаз в анализируемом оптическом генераторе. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае оно представляет собой несколько «почти» монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом p.
Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. Зависимость спектральной мощности S(l) от длины волны для ЛД показана на рис. 9. Ширина каждой отдельной линии Dl = (0,1 – 0,3) мкм, что существенно меньше чем у СИД. Расстояние между ними составляет (2 – 5) мкм.
 |
Рис. 9.
С физической точки зрения можно сказать, что резонатор проводит селекцию спонтанно излученных фотонов по длине волны и обеспечивает условия появления индуцированного излучения только в случае, если они попадают в полосу пропускания резонатора. Иными словами, он обеспечивает более высокую скорость рекомбинации носителей, находящихся только на таких энергетических уровнях, которые обеспечивают рождение фотона с требуемой энергией. Поэтому после установления режима работы ЛД именно они заселяются носителями, инжектирующимися в обедненный слой источником тока накачки.
Таким образом, ЛД обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать:
когерентными в течение временного интервала tк или при геометрической разности хода отдельных волн не превышающейlк ;
частично поляризованным – ориентация векторов электромагнитного поля определена топологической схемой ЛД, в отличие от СИД, где излучение не обладает поляризацией то есть вектора электромагнитного поля ориентированы случайным образом.
В первых образцах ЛД для создания условий генерации требовалось обеспечивать величину плотности тока накачки порядка 20 А/мм2. При этом полупроводниковые кристаллы быстро разрушались, и срок службы таких источников не превышал нескольких часов.
В настоящее время разработаны технологические приемы, позволяющие снизить величину плотности тока накачки на несколько порядков, что обеспечивает высокую надежность полупроводниковых источников. Срок службы современных ЛД составляет (10 5 – 10 6) часов. Для этих целей используются гетеропереходы. Они образуются в результате контакта двух полупроводниковых материалов с различными параметрами. Прежде всего они отличаются друг от друга шириной запрещенной зоны Е g (см. рис.1). Принято обозначать тип проводимости и концентрацию основных носителей заглавными буквами (N, P) у полупроводниковых материалов с большей шириной запрещенной зоны и прописными буквами (n, p) – у полупроводников с меньшей величиной Е g.
Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P, P-p-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся строением кристаллической решетки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счет применения ДГС появляется возможность:
увеличения эффективности инжекции;
увеличение внутренней квантовой эффективности;
уменьшение потерь излучения на поглощение в материале ЛД.
Упрощенная топологическая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P приведена на рис.10. Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, когда формируемый поток фотонов распространяется вдоль обедненного слоя. В этом случае торцы кристалла обычно выполняют роль зеркал образующих резонатор Фабри-Перо. Активная область (полупроводник p-типа на рис. 10) окружена со всех сторон полупроводниковыми материалами с большей шириной запрещенной зоны. Поэтому фотоны, рожденные в ней, не могут поглощаться за ее пределами – их энергия недостаточна для того, чтобы перевести электроны из валентной зоны в зону проводимости.
 |
Рис. 10.
С волновой точки зрения это означает, что активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На ее границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор, показанный на рис. 11.
В нем может существовать бесконечное число типов колебаний, которые отличаются друг от друга структурой поля в поперечном сечении и резонансными длинами волн lр. Различие в структурах полей проявляется в различных картинах распределения интенсивности излучения по поперечному сечении резонатора.
Оптическая волна, которую формирует поток излученных фотонов, может распространяться в резонаторе не только вдоль его оси z (см. рис. 11), но и под некоторым углом к ней. При этом она проходит между двумя последовательными переотражениями от полупрозрачных зеркал путь Lq ³ L, больший длины резонатора. Детальный анализ процессов, происходящих в резонаторе, показывают, что допустимыми являются только значения Lq, длина которых удовлетворяет условию резонанса. Они могут быть занумерованы целочисленным индексом q. Само условие резонанса, рассмотренное ранее, следует переписать в виде:
Lq = p (lр,q / 2); p = 1, 2, 3,...; q = 1, 2, 3,.... (6)
 |
Рис. 11.
Каждому пути соответствует своя резонансная длина волны lр, q, которая в этом случае имеют двойную индексацию (p, q). Первый, как и ранее, определяет продольную моду резонатора, а второй поперечную.
Поперечное сечение активной области ЛД в декартовой системе координат x, y показано на рис. 11, а; приведены его размеры Wx и Wy. Два варианта распределения интенсивности излучения, соответствующие поперечным модам с q = 0 (основная поперечная мода, соответствующая осевому распространению излучения в активной области) и q = 1 показаны на рис. 12. Приведенное распределение соответствует зависимости интенсивности от одной поперечной координаты x. Другая координата фиксирована.
Спектральный состав излучения ЛД с учетом наличия нескольких поперечных мод приведен на рис. 13. Их резонансные длины волн при одинаковом значении индекса продольной моды различаются незначительно.
В ЛД, предназначенных для использования в ВОЛС, обычно стремятся обеспечить условия, при которых возбуждается только одна поперечная мода. Этого можно достичь, если уменьшать поперечные размеры активной области.
Кроме того, условия возбуждения продольных мод связаны с величиной тока накачки. Типичная ватт-амперная характеристика ЛД приведена на рис. 14. На ней можно выделить два участка, разделенных пороговым значением тока Iп. Первый соответствует условию Iн < Iп. При этом излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. Практически ЛД работает в этом режиме также как и СИД. При превышении порогового значения тока возрастает крутизна ватт-амперной характеристики, и излучение становится когерентным и поляризованным. Сначала обеспечивается условия возбуждения только одной основной поперечной моды, которая соответствует осевому распространению вдоль активной области. Дальнейшее возрастание тока накачки приводит к возможному возбуждению высших поперечных мод.
2. При выборе ФД для ВОЛС необходимо учитывать зависимость его спектральной чувствительности от длины волны l источника света. Выбранный ФД сохраняет способность реагировать на оптическое излучение до тех пор, пока энергия фотонов, составляющих это излучение, достаточна для «перевода» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В соответствии с рис. 1, а:
h f > Еп - Ев Þ l < h с / (Еп - Ев ), (7)
где Еп и Ев - энергетические уровни, соответствующие нижнему краю зоны проводимости и верхнему - валентной зоны.
Данное неравенство определяет «красную границу» l кр для ФД, выполненного из полупроводникового материала. При l > l кр он не реагирует на оптическое излучение.
 | |||
Рис. 12.
 | |||
 |
Для изготовления ФД используют кремний (Si), германий (Ge) и комбинированные соединения типа InGaAs. Кремниевые ФД имеют «красную» границу в области l = 1мкм и поэтому редко используются в ВОЛС, в которых наиболее часто применяют источники света с длиной волны l =1,3 мкм и l = 1,5 мкм. В этом спектральном диапазоне используют германиевые ФД. В последнее время, благодаря новейшим достижениям в области технологии, получили широкое распространение приборы на основе комбинированных соединений. Их характеристики оптимизируются специально для использования совместно с определенным типом волоконного световода и источником.
На практике используют два типа ФД. Первый из них - pin-фотодиод - получил свое название благодаря структуре слоев полупроводниковых материалов, из которых он образован. Примерная топологическая схема такого устройства приведена на рис. 3, а. Она включает в себя:
тонкий слой 1 - полупроводник p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) pp+ на несколько порядков выше, чем у обычного материала;
слой 2 - полупроводник n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) nn на несколько порядков ниже, чем у обычного материала (обедненный слой). По своим свойствам он близок к собственному полупроводнику i - типа;
слой 3 - полупроводник p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) nn+ на несколько порядков выше, чем у обычного материала;
изолирующий слой 4 и отрицательный контакт 5, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводник слоя 1;
просветляющее покрытие 6, нанесенное на внешнюю поверхность слоя 1;
положительный контакт 7, нанесенный на внешнюю поверхность слоя 3.
Из-за существенной разницы в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение Uсм на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2. В результате вектор напряженности электрического поля, возникающий за счет напряжения смещения, направлен поперек слоев в направлении хна рис.3, б и имеет всего одну проекцию Ех.
Поглощение фотонов и рождение ер-пар происходит в слое 2. За счет напряженности электрического поля на появившиеся носители тока действует кулоновская сила, выводящая их из этой области к внешним контактам 5 и 7.
Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощения фотонов практически не происходит, поскольку за счет высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов - фотон не может перевести электрон в зону проводимости и создать ер-пару.
В области 2 фотоны эффективно поглощаются за счет того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей. Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:
все влетевшие в нее фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока - для этого ширину слоя необходимо увеличивать;
созданные ер-пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть внешних контактов 5 и 7, что обеспечивает максимальное быстродействие ФД - для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприемника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счет поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за ее пределами ускоряющее поле практически отсутствует (рис 3.б). С точки зрения теории цепей ФД может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением емкости перехода Сд. Она шунтирует активное сопротивление перехода Rд (рис.3, в) и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприемника.
Рассмотренный pin -фотодиод работает при напряжениях смещения: 0 £ Uсм £ Uпр.
Величина Uпр определяет значение напряжения смещения на ФД, при котором начинается пробой pn-перехода (рис. 2, а). В лавинном фотодиоде (ЛФД) величина Uсм ³ Uпр так, что переход работает в режиме лавинного пробоя. Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме.
В отличие от pin-фотодиода у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной, а М ер - пар. Это происходит за счет того, что созданные за счет поглощения фотона первичные электроны и дырки разгоняются ускоряющим полем до скорости, достаточной для возбуждения соседних атомов в кристаллической решетке. Можно сказать, что первичные электроны и дырки порождают лавинообразный процесс. Величина М имеет порядок 10 - 100 и называется коэффициентом электронного размножения.
Конструктивно ЛФД существенно сложнее рin-ФД. Кроме того, для создания условий лавинообразного размножения носителей требуется существенно увеличивать размеры обедненной области. Это приводит к снижению быстродействия ЛФД по сравнению с pin-фотодиодом. Проигрывает ЛФД и по шумовым характеристикам. Это объясняется тем, что процесс образования лавины носит случайный характер и является.
Волоконный световод является главным элементом любой оптической системы связи. Вдоль него распространяются оптические волны, и благодаря малому затуханию обеспечивается передача информации на расстояния до 100 км без ретрансляции.
С электродинамической точки зрения волоконный световод представляет собой разновидность диэлектрического волновода круглого сечения. Его эскиз приведен на рис. 3, а, где указаны основные его параметры:
радиус сердцевины a;
коэффициент преломления сердцевины n1;
коэффициент преломления оболочки n2.
Распространение волн в таком световоде возможно за счет явления полного внутреннего отражения, возникающего на границе раздела сердцевина - оболочка. Для этого необходимо обеспечить условие n1 > n2. На практике величина скачка коэффициента преломления 
n = n1 - n2 » 10-2 - 10-3.
Качественный анализ процесса распространения волн по световоду можно проводить, используя законы геометрической оптики. Плоская волна падает на границу раздела сердцевина - оболочка под углом q. Если он превышает критическое значение qК (угол полного внутреннего отражения), то волна распространяется вдоль световода без потерь по сложному зигзагообразному пути (см. рис. 3, б).
Для того, чтобы волны испытывали полное внутреннее отражение необходимо, чтобы на торец световода (рис. 3, б) они падали под углами, не превышающими некоторое значение j. Последнее определяется параметрами световода n2 и n1. Величина NA = sinj носит название числовой апертуры и является одним из основных параметров волокна.
Волны, падающие на границу раздела сердцевина - оболочка под углом q > qК называются направляемыми. Более строгий анализ показывает, что процесс их распространения возможен при выполнении дополнительного условия фазового самосогласования. Оно «выбирает» из всех возможных зигзагообразных путей только некоторые. В результате направляемые волны образуют дискретный спектр, каждой составляющей которого соответствует своя, свойственная только ей, структура поля (закон изменения составляющих электромагнитного поля в поперечном сечении световода). В литературе такая составляющая спектра носит название «собственных волн световода», «типов волн» или «мод».
Особенностью процесса распространения волн по световоду является то, что зигзагообразный путь, проходимый волнами, различен. Более того, форма пути зависит от длины волны источника, возбуждающего световод. Следовательно, отрезок световода конечной длины каждая мода будет проходить за различное время. С точки зрения передачи информации по волоконной линии, этот процесс порождает ее искажения за счет волноводной дисперсии - каждая составляющая этого спектра проходит отрезок волновода за различное время и на его выходе между ними возникают неустранимые фазовые сдвиги.
Количество мод, распространяющихся по световоду, связано, прежде всего, с размерами его поперечного сечения (a на рис. 3, а, 3, б). Условно световоды можно разделить на многомодовые (a» 50…62,5 мкм) и одномодовые (a» 10 мкм).
Наличие большого числа мод в световоде без принятия специальных мер приводит к появлению специального источника шумов в волоконной линии (модовый шум).
На практике используются два типа источников для возбуждения световодов: когерентный (лазер, лазерный диод); некогерентный (светоизлучающий диод).
При работе волокна совместно с лазером на выходном торце волокна все моды имеют за счет когерентности источника стабильное значение фазового набега. В результате они интерференционно складываются, образуя известную «спекл-картину». Если световод многомодовый, то она достаточно сложна и представляет собой практически случайное чередование темных и светлых областей.
За счет любого, сколь угодно малого, изменения характеристик распространения волн по волокну (колебания температуры, механическая деформация и др.) «спекл-картина» на торце световода меняется. Поскольку именно она наблюдается на чувствительной площадке фотоприемника, регистрирующего оптический сигнал, этот процесс и вносит дополнительный источник шума.
Подобный процесс не будет наблюдаться, если используется некогерентный источник возбуждения. При этом моды на выходном торце волокна уже некогерентны и не могут интерферировать. Они складываются по мощности, образуя равномерную засветку чувствительной площадки фотоприемника. Распределение интенсивности этой засветки не подвержено никаким случайным изменениям.
Второй вариант, устраняющий «модовый шум» в волоконной линии - использование одномодового световода. При этом картинка засветки также стабильна, поскольку она образуется только одной модой, распространяющейся по световоду. Интерференции и в этом случае нет.
Поиск по сайту: