ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Светоизлучающие диоды Для волоконно-оптических систем

Перспективным источником света для волоконно-оптических систем (ВОС) служит СИД. Генерирование светового излучения в нем происходит так же, как и в лазерном диоде (ЛД), но из-за отсутствия оптической обратной связи СИД является некогерентным источником. Первый СИД из арсенида галлия, пригодный для цели оптической связи, был изготовлен
в 1962 г. Ширина спектра излучения СИД из арсенида галлия обычно составляет 3000 нм, т. е. по крайней мере в 20 раз шире, чем у лазеров. СИД излучает на многих пространствен­ных модах. Поскольку число мод, которое может в нем распространяться не ограниченно, то адекватную эффективность ввода излучения в светодиод можно получить только при ис­пользовании многомодового светодиода. СИД, предназначеные для волоконно-оптической связи, должны иметь малую светоизлучающую поверхность и обладать большой энергети­ческой яркостью.

Примерами таких диодов является диод Барраса и диод с краевым излучением. Диод Барраса излучает свет из небольшого круглого пятна диаметром приблизительно 50 мкм в направлении, перпендикулярном плоскости перехода (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Типы СИД, применяемых в волоконно-оптических системах: а — СИД, излучающий через поверхность (типа Барраса), со световодом, приклеиваемым к излучающей поверхности; 6— СИД того же типа, но снабженный интегральной линзой с высоким показателем преломления для улучшения преобразования электрической энергии в излучаемую оптическую мощность; в — СИД с краевым излучением

Геометрия диода с краевым излучением аналогична геометрии лазера с полосковым контактом —- излучает параллельно полосковому переходу. По сравнению с лазерами СИД отличаются простотой, так как у них зависимость мощности выходного излучения от тока возбуждения остается практически линейной и мало изменяется во времени.

Поскольку нет резко выраженного порога, то нет и необходимости слишком тщательно регулировать пиковый ток возбуждения, так как прибор вряд ли выйдет из строя при прохо­ждении через него небольшого тока перегрузки; кроме того, с помощью простых темпера­турных датчиков и управляющих устройств с разомкнутым контуром можно осуществить компенсацию различных температурных эффектов. При работе в системе связи СИД менее привлекателен, чем лазер из-за большей ширины линии излучения и меньшей яркости; это означает, что он обычно генерирует меньшую мощность и заставляет обращать особое вни­мание на дисперсию в материале.

Тем не менее СИД твердо сохраняют свои позиции благодаря низкой стоимости и простоте эксплуатации и во многих случаях вполне могут заменить лазеры, отвечая тре­бованиям разработчиков систем, в которых лазер лишь незначительно расширил бы рабо­чие пределы (запасы), что на практике оказывается совсем не нужным. Так как характери­стики излучения СИД малочувствительны к рабочим условиям, то при проектировании возможности выбора схем сужаются, а конструктивные решения соответственно упроща­ются. В общем случае необходимо сначала оценить мощность, направляемую в светоди­од, найдя произведение яркости источника с заданным углом ввода на площадь сечения светодиода, и затем оценить эффективность стыковки одного с другим. Ширина линии излу­

Чения источника существенно не меняется, так что легко можно вычислить дисперсию в материале, которая вместе с модовой дисперсией и шириной импульса позволяют оценить чувствительность приемника. Длительность возбуждающего импульса можно несколько уменьшить, чтобы снизить потери мощности в приемнике.

Время отклика (постоянная времени) СИД не равно нулю, и при использовании прибора в системе с высокой скоростью передачи информации это следует принимать во внимание. Время нарастания у типовых приборов с высокой яркостью лежит в интервале (2...4) не и поэтому может стать ограничивающим фактором. При необходимости можно пожертво­вать яркостью ради быстродействия, что для специальных применений может оказаться вполне оправданным.

Преобразование электрической энергии в оптическую представляет большой интерес для разработчиков высокоэффективных систем. Внутри самого СИД превращение электри­ческой энергии в оптическую происходит с очень большим кпд. Значительная часть зонной оптической энергии впоследствии теряется прибором или поглощается, превращаясь в теп­ловую энергию. Создавая приборы малой площади, т. е. меньшей, чем площадь поперечного сечения светодиода, удается увеличить яркость при данном токе. А применение линзовой системы с большой числовой апертурой позволяет увеличить излучающую поверхность СИД и тем самым «заполнить» торец светодиода, благодаря чему увеличивается эффектив­ная собирающая апертура прибора, который соединяют со светодиодом. Таким путем мож­но увеличить отдаваемую прибором мощность при заданном токе возбуждения. На основе этого принципа были изготовлены СИД со встроенными отрезками световодов и линзами.

Для ВОС пригодны СИД трех типов. Их конструкции изображены на рис. 5.21. Здесь: 1 — световод; 2 — клей; 3 — излучающая область; 4 — полусферическая линза с высоким показателем преломления; 5 — структура лазерного типа; 6 — длина контакта определяет размеры излучающей области. У простых плоскостных приборов или приборов Барраса площадь излучающей поверхности обычно меньше площади сердцевины светодиода, торец которого как правило размещают в непосредственной близости от этой поверхности. Такую конструкцию можно применить и для приборов меньшей площади, установив собирающую линзу с большей эффективной числовой апертурой (см. рис. 5.21, б). Наконец, на рис. 5.21, в показана совершенно иная структура, которая более подходит для лазеров, используемых в ВОС, и представляет собой СИД с краевым излучением. Принцип ее работы основан на излучении вдоль перехода, соединяемого со световодом точно так же, как и в случае лазера. Излучение из этой структуры некогерентно, хотя здесь может происходить некоторое уменьшение спектральной ширины линии сверхизлучения из-за усиления. В состоянии сверхизлучения происходит одновременное увеличение яркости и сужение спектральной линии, но прибор при этом не обладает экстремальной нелинейностью, свойственной лазе­рам, что дает возможность использовать очень простые устройства управления.

Для оптимизации ввода излучения в световод были разработаны СИД с краевым излу­чением и относительно толстым световодным слоем, расположенным около активного слоя и имеющим несколько меньший показатель преломления. Сверхизлучение в этих приборах подавляется, так как свет, распространяющийся в световодном слое, лишь очень слабо свя­зан со светом в области усиления, благодаря чему приборы имеют исключительно линей­ные характеристики. В отличие от приборов, обладающих значительным сверхизлучением, поглощающие области, образующиеся в активном слое СИД с краевым излучением, по мере их старения слабо влияют на параметры выходного излучения.

Другим перспективным типом светоизлучающих диодов для ВОС являются суперлю - минесцентные диоды (ССИД). Фактически это усилители спонтанного излучения без об-