ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ связи

Волоконно-оптические линии связи ВОЛС станут в будущем важным средством передачи данных. Их пер­спективность обусловлена помехозащищенностью от внешних электромагнитных воздействий и от межка - нальных наводок; широкополосностью, которая в пре­дельном случае ограничивается лишь частотой несущей (около 3-1014 Гц); малыми габаритами и массой, гиб­костью; возможностью технологической интеграции на основе использования матричных излучателей и фото­приемников; потенциально низкой стоимостью и т. п.

В качестве излучателей в системах ВОЛС находят применение лазерные диоды, работающие в непрерыв­ном режиме при комнатной температуре, и диодные ис­точники спонтанного излучения (излучающие диоды). Лазеры обеспечивают наибольшее быстродействие ВОЛС (частота модуляции около 1 ГГц). Однако пре­имуществом излучающих диодов перед лазерами явля­ется большая простота изготовления и применения, дол­говечность и меньшая стоимость.

Основная задача, решаемая излучающим диодом в ВОЛС, — это введение необходимой оптической мощ­ности в волокно и обеспечение широкополосной модуля­ции сигнала. В связи с этим к диодам для ВОЛС предъ­являются следующие требования:

1. Максимальная мощность излучения для обеспече­ния наибольшей длины линии связи (без ретранслято­ров). Для большинства областей применения достаточ­на мощность излучения порядка милливатта.

2. Высокая энергетическая яркость для обеспечения эффективного согласования излучателя с волокном.

Полную мощность излучения диодов для ВОЛС це­лесообразно представлять в виде P=BSAS, где Bs — энергетическая яркость излучающей поверхности; As — излучающая площадь. Такое представление мощности излучения оправдано в связи с тем, что энергия излуче­ния, которая может быть введена в оптическое волокно непосредственно или с помощью линзы, находится в пря­мой зависимости от энергетической яркости.

Эффективность ввода излучения, равная отношению мощностей, принятой световодом и излучаемой диодом, определяется соотношением

^ = Тсру*Аь/А8, (6.4)

где y — числовая апертура световода; Аъ — приемная площадь световода; Гер—средний коэффициент про­пускания света торцевой поверхности волокна. Число­вая апертура — весьма важная характеристика воло­конного световода, представляющего собой в большин­стве случаев двухслойное волокно с внутренней жилой, оптически более плотной, чем оболочка (пі>пг). Для лучей, входящих в световод под углом, меньшим крити­ческого угла фо, выполняется условие полного внутрен­него отражения света от границы жилы с оболочкой, благодаря чему излучение распространяется вдоль во­локна, не выходя через оболочку. Под числовой апер­турой понимается величина v = sin<po - Лучи, падающие на торец под углами <р>фо (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой преломляются, и часть из­лучения уходит из сердечника.

Как видим, эффективность ввода излучения в волок­но пропорциональна квадрату числовой апертуры. Од­нако увеличение числовой апертуры приводит к значи­тельному различию в длине пути прямого и критическо­го лучей, что вызывает уширение импульса пропорционально апертуре и длине волокна. Этот эф­фект сужает полосу пропускания линии связи.

Эффективность ввода излучения в волокно выража­ется также в процентах или в децибеллах. В последнем случае

Лвв=10№излАРвв). (6.5)

В ряде случаев эффективность ввода нзлучення оце­нивают апертурными потерями

Пап^Ю1бТ-2. (6.6)

3. Минимальная расходимость излучения для обес­печения максимального ввода излучения в волокно. Это требование очевидно в связи с широким применением низкоапертурных волокон.

4. Высокое быстродействие для обеспечения широко­полосной модуляции сигнала.

Для большинства случаев применения частота моду­ляции должна быть не ниже 100 МГц.

5. Длина волны излучения диода должна находить­ся в области минимального затухания светового сигна­ла в сердечнике волокна.

Для количественной оценки затухания светового сиг­нала используется формула

n = (l//)101g(PBX/PBbIX), (6.7)

где Рвх и Рлых — мощности сигнала в световоде длиной I у входного и выходного торцев.

Спектральная характеристика потерь пропускания кварцевого световода имеет три минимума: в области волн длиной 0,82; 1,06 и 1,2—1,3 мкм. Достигнутое к

настоящему времени значение потерь составляет 0,47 дБ/км при Агмакс — 1,2 мкм и 1—2 дБ/км при Я-макс — =0,8—0,9 мкм.

6. Минимальная ширина спектральной полосы излу­чения для обеспечения минимальной дисперсии свето­вого импульса при его распространении по волокну и расширения, тем самым, полосы пропусканий.

Размытие сигнала, обусловленное шириной спект­ральной полосы, определяется формулой

Ысп «(2n/c) Ап (ДЯЛмакс) I, (6.8)

где п — показатель преломления волокна; Ап— раз­ность показателей преломления внутренней жилы и обо­лочки; ЛЛ — спектральная ширина полосы. Дисперсия светового сигнала зависит также от свойств материала,

Рис. 6.7. Устройство ДИпла Барраса [125]: Щ

1 — область основной рекомбина ции носителей; 2 — металлизация! 3 — вытраилеииая ямка; 4 — волок­но; 5 — эпоксидный компаунд - g _ металлический контакт; 7—л-эмит^ тер AljjGa^^As толщиной пример, но 10 мкм, 8 — активный слой yhs толщиной около

I мкм; 9-р-слой AljjGa^^As тол.

щиной примерно 1 мкм; 10 — р+- GaAs толщиной около 0,5 мкмі

II — слой диэлектрика; 12 — омиче, ский контакт 0 50 мкм; 13 — дер.

жатель иэ металла с высокой теп. лопроводностью

из которого изготовлен световод. Для кварцевого СВЄТО - вода в области длин волн 1,2—1,3 мкМ дисперсия излу­чения близка к нулю.

7. Большой срок службы, устойчивость к механичес­ким и климатическим воздействиям, низкая стоимость.

Безусловно, удовлетворение всех указанных выше требований в полном объеме представляет собой слож­ную техническую задачу. Поэтому при разработке из­лучающих диодов обычно осуществляется инженерный компромисс, направленный на получение оптимальных характеристик.

В настоящее время излучающая структура диодов для BOJIC представляет собой, в большинстве случаев, эпитаксиальную гетероструктуру в системе AIAs—GaAs. Как показано в гл. 1 и 3, такие гетероструктуры сочета­ют в себе высокий внутренний квантовый выход элект­ролюминесценции, малое поглощение излучения при выводе его из кристалла и высокое быстродействие.

Рассмотрим конструктивные исполнения излучающих диодов для ВОЛС. В настоящее время наибольшее рас­пространение получили следующие основные модифика­ции приборов: с выводом излучения в направлении, пер­пендикулярном плоскости р—n-перехода; с торцевым выводом излучения (параллельно плоскости р—«-пере­хода) .

Каждая из этих модификаций имеет различные ва­рианты исполнения. Рассмотрим сначала диоды с выво - дом излучения в направлении, перпендикулярном плос­кости р—п-перехода.

Одним из первых диодов такого типа был диод Бар­раса [125]. Излучающая структура диода (рис. 6.7) в
большинстве случаев представляет собой двойную ге­тероструктуру в системе AlAs— GaAs, в которой ширина запрещенной зоны эмиттеров превышает последнюю в активной области структуры. Использование двойной гетероструктуры приводит к электронному ограничению носителей в активном слое и уменьшению поглощения света при выводе его из кристалла. Малая твлщина р-эмиттера способствует эффективному теплоотводу от области рекомбинации. Тонкий слой p+GaAs облегчает создание низкоомного омического контакта. Поглощаю­щая свет GaAs-подложка удаляется травлением на пло­щади, большей площади центрального контакта. Это позволяет создать «окно» для вывода света из кристал­ла в направлении места крепления волокна. Размеры основной области излучательной рекомбинации опреде­ляются диаметром нижнего омического контакта. Они должны быть согласованы с диаметром сердечника во­локна. Практически площадь области излучательной ре­комбинации в диодах Барраса составляет (I—3)Х ХЮ~5 см2. Конструкция диода благодаря наличию вы­травленной ямки удобна для сопряжения с волокном, что повышает эффективность ввода излучения в волок­но; наличие подложки по краям диода повышает меха­ническую прочность прибора.

Энергетическая яркость диода Барраса достигает 60—100 Вт/(ср-см2) при токе 150 мА. Полная мощ­ность излучения диодов составляет 3,5—6,5 мВт при 150 мА. При импульсном режиме работы с большой скважностью пиковые значения энергетической яркости и выходной мощности могут быть увеличены на поря­док.

Длину волны излучения диода Барраса можно менять в пределах 0,85—0,78 мкм путем изменения содержания AlAs в активной области структуры без ухудшения КПД прибора, что позволяет добиться наименьшего поглоще­ния света в волокне. Ширина спектральной полосы излу­чения 35—40 нм. Быстродействие диодов (время нара­стания импульса света) достигает 10—12 не [125].

Создание совершенной по структуре области реком­бинации малой площади и обеспечение эффективного теплоотвода от области рекомбинации позволило полу­чить диоды с высокой стабильностью параметров в про­цессе работы при плотности тока до 7500 А/см2. Срок службы диодов Барраса — несколько тысяч часов при падении мощности излучения не более чем на 50 %.

Рис. 6.8. Устройство диода с ограниченной площадью излу„ чающей поверхности, создан* ной с помощью локальной диф. фузии цинка f 126]:

1 — область основной рекомбинации носителей; 2— локальная диффузи. оиная область р-типа; 3 — омиче* ские контакты; 4 — диэлектрик Si:.N*; 5 — rt-Ga^^Al^As; б— p.

Ga^^AI^As; 7 — активная область р-GaAs; 8 — Л-Ga-jA^As

Рис. 6.9. Устройство диода из Gai-jcAUAs с мезаструктурой и удаленной подложкой:

1 — слой диэлектрика; 2 — выводы;

3 — р-эмиттер Gaj Xi AIXi As; 4 —

активная область p-Ga^ xs АІД-., As;

5 — омические контакты; б — n - эмиттер Ga^^AI^As

В ряде работ высказывается мнение, что ресурс работы таких диодов составит 105 ч.

В работе [126] приводится конфигурация диода, в которой ограничение излучающей поверхности обеспе­чивается с помощью локальной диффузии Zn (рис. 6.8). Максимальный внешний квантовый выход излучения составил около 1,3 % при диаметре излучающего пятна 100 мкм и токе 70 мА. В последующих работах эта кон­струкция была несколько изменена введением специаль* ной ямки для установки сферической линзы и уменьше* нием площади излучающей поверхности до 35 мкм. Сферическая линза изготовлена из материала с показа­телем преломления и=2,0 и имеет диаметр около 100 мкм. Эффективность ввода излучения в низкоапер - гурное волокно (7 = 0,14) резко возросла и достигла 9 %. Мощность излучения, введенного в волокно, соста­вила 150—200 мкВт при токе 100 мА. Диоды показали высокую*стабильность в работе при комнатной темпера­туре в азотной атмосфере при постоянном токе 50 мА (плотность тока 5 кА/см2). Ожидаемый срок службы — более 104 ч.

В работе [15] рассматривается диод из Gai-* Al*As с мезаструктурой и удаленной подложкой. Вследствие эффектов внутренней фокусировки и многопроходности
на этих диодах удается достичь высоких значений внеш­него квантового выхода излучения. Устройство диода приведено на рис. 6.9, а ход лучей аналогичен показан­ному на рис. 1.16. Мощность излучения диодов нахо­дится в пределах 1—2 мВт при токе 20 мА. Энергетичес­кая яркость диодов на постоянном токе невелика и на­ходится в интервале 2—6 Вт/(ср-см2) при 20 мА. При импульсном возбуждении величины мощности излуче­ния и энергетической яркости могут быть существенно увеличены. Зависимости внешнего квантового выхода излучения от тока, снятые при постоянном и импульсном режимах возбуждения, показаны на рис. 6.10. Макси­мальное значение т]вн при измерении на постоянном то­ке составило 12% (типичные значения 3—6%). При измерении на импульсах т]вн может превышать 20%. Следует заметить, что высокие значения внешнего кван­тового выхода излучения достигаются при весьма малых токах порядка 1—2 мА. Столь высокая эффективность при малых токах возбуждения обусловлена высоким внутренним квантовым выходом электролюминесценции, малой площадью р—n-перехода и низкой скоростью по­верхностной рекомбинации на хорошо протравленной поверхности мезаструктуры.

Распределение интенсивности ближнего поля по из­лучающей поверхности рассматриваемого диода с ме­заструктурой представлено на рис. 6.11. Как видим, чет­ко прослеживается повышение энергетической яркости излучающей поверхности на участках, противостоящих стенкам мезаструктуры. Расчет, сделанный в предполо­жении о центральной симметрии в распределении ин­тенсивности излучения, показывает, что мощность излу­чения в кольце, образованном лучами, отраженными от боковой поверхности мезаструктуры, составляет около 30 % общей мощности выходящего излучения. На пери­ферийное излучение за пределами яркого кольца прихо­дится около 40 % общей мощности излучения. Спектр ИЗЛуЧЄНИЯ ДИОДОВ СОДбрЖИТ ОДНу ПОЛОСу С Хмакс” 850+ ±20 нм и полушириной АХ 50 нм. Быстродействие дио­дов находится в пределах 10—20 не.

В работе [28] показана возможность дальнейшего повышения внешнего квантового выхода излучения рас­сматриваемых диодов за счет создания «двойной» меза­структуры (рис. 6.12). Благодаря дополнительной фоку­сировке распространяющихся внутри кристалла лучей внешний квантовый выход излучения достигает при им-

Рис. 6.11. Распределение ин­тенсивности ближнего поля по - излучающей поверхности дИо - да из Gai-itAlxAs с мезаструк­турой и удаленной подложкой [151

1 2

I — активная область гетерострук* туры; 2 н 3 — боковые стенки пер­вой ы второй мезаструктур; 4—вы­ход излучения, отраженного от бо­ковой поверхиости второй меза­структуры

пульсном возбуждении 34 % (без просветляющих по­крытий) и 45 % (с полусферической линзой из халько - генидного стекла). Однако излучение, выводимое мезой большего диаметра, трудно ввести в низкоапертур­
ное волокно малого диаметра. В связи с этим в рабо­те [127] показано, что такой диод может быть эффек­тивно использован совместно с полимерным волокном большого диаметра (400 мкм) с высокой числовой апер­турой (примерно 0,5). С помощью диода с диаметром мез 150 и 400—500 мкм удалось ввести в волокно излу­чение мощностью 3,5 мВт при токе 200 мА, что соответ­ствовало суммарному коэффициенту ввода (с учетом Т]ви диода) 1 %■

В работах [128, 129] диоды с мезаструктурой из

Cai_*Al*As усовершенствовали, добавив сферическую излучающую поверхность. В работе [128] полусфери­ческую излучающую поверхность изготавливали меха­нической обработкой. Исходная эпитаксиальная гетеро­структура имела толщину около 400 мкм. Диаметр р—п-перехода в области мезаструктуры составлял 160 мкм, диаметр полусферы — примерно 500 мкм. Для уменьшения отражения света от границы полупровод­ник— воздух поверхность полусферы покрывала про­светляющим покрытием из Ge02 толщиной около 0,12 мкм. Внешний квантовый выход излучения таких диодов достигал 28 % при плотности тока 400 А/см2. Мощность излучения для лучших образцов составляла 76 мВт при 200 мА и 96 мВт при 300 мА. Диоды имели низкую эффективность ввода излучения в волокно (около 0,5—0,6 %) благодаря широкой диаграмме направленно­сти излучения, однако в связи с большой полной мощ­ностью излучения они, как считают авторы, могут кон­курировать с диодами Барраса и диодами с торцевым выводом излучения.

В работе [129] для получения диодов со сферической излучающей поверхностью был использован метод нега­тивного профилирования подложки, по которому снача­ла в подложке GaAs создают углубления полусфери­ческой формы, затем осуществляют эпитаксиальное за - ращивание этих углублений твердым раствором Gai_xALAs и выращивают излучающую структуру, а после вытравливания мезаструктур и изготовления оми­ческих контактов стравливают подложку в избиратель­ном травителе, который не травит Gai_*AI*As. Эта ме­тодика позволила в значительной степени упростить из­готовление сферической излучающей поверхности и по­лучить диоды с диаметром шарового сегмента 70— 120 мкм при диаметре мезаструктуры в области р—п- перехода 30—50 мкм (рис. 6.13).

Такие диоды позволяют получить высокий внешний квантовый выход излучения (на постоянном токе — до 18 %, на импульсном токе — до 32%), однако их глав­ная отличительная черта — высокая эффективность в малых телесных углах за счет сужения диаграммы на­правленности излучения полусферой по типу Бейер - штрасса. Высокая эффективность в малых углах (0,1 ср) весьма важна, так как именно она обеспечивает низкий уровень потерь при вводе излучения в волокно. На луч­ших образцах такого типа получен внешний квантовый выход излучения около 1 % в телесном угле 12°.

Диоды с плоской световыводящей поверхностью, па­раллельной плоскости р—n-перехода, имеют ламбертов­скую диаграмму направленности излучения, что приво­дит к пониженному коэффициенту ввода излучения в низкоапертурные волокна; между тем эти волокна находят широкое применение в разрабатываемых систе­мах оптической связи.

Рассмотрим диоды с торцевым выводом излучения, которые позволяют реализовать более эффективный ввод ■ излучения в низкоапертурное волокно. Торце­вые диоды характеризуются весьма малой светящейся площадью с высокой энергетической яркостью и су­щественно суженной (относительно «поверхностных» диодов) диаграммой направленности излучения.

В работе [130] рассмотрены торцевые диоды с одним и двумя гетеропереходами, по устройству структуры
аналогичные соответствующим лазерным диодам. Ак­тивная область имела толщину около 2 мкм. Контакт с эпитаксиальной поверхностью диода имел широко при­меняемую в конструкциях лазеров полосковую геомет­рию с шириной полоски 25 мкм. На излучающую по­верхность было нанесено антиотражающее покрытие из SiO (показатель преломления 1,9) толщиной 0,11 мкм. Энергетическая яркость диодов составила 95 Вт/(ср-см2) для структур с одним гетеропереходом при плотности тока 4,2 кА/см2 (ток 800 мА) и 60 Вт/(ср-см2) — для структур с двумя гетеропереходами. При энергетической яркости 95 Вт/(ср-см2) полная выходная мощность из­лучения составила 3 мВт при токе 800 мА. Диоды пока­зали хорошую стабильность в работе при плотности то­ка до 3,6 кА/см2.

Если необходимо получить высокий квантовый выход излучения при заданном небольшом токе накачки, то, как показано в работе [131], следует применять торце­вые диоды с малой длиной. Однако манипулировать кристалликами чрезвычайно малых размеров весьма трудно. Одновременно, при использовании их резко воз­растает тепловое сопротивление прибора. В связи с этим авторы работы [131] предложили конструкцию торце­вого диода с ограниченной длиной активной области (рис. 6.14), в которой не уменьшается размер кристал­ла и не увеличивается, тем самым, тепловое сопротив­ление прибора. Как видно из рис. 6.14, активная область с тыльной стороны ограничена канавкой, глубина кото­рой на 5—10 мкм больше глубины активного слоя ге­тероперехода. Благодаря частичному отражению света тыльной поверхностью (примерно 30 °/о) повышается мощность излучения диода. Сравнение данной конструк­ции диода с полосковым диодом с размером активной части 100X300 мкм, изготовленным из той же эпитак­сиальной структуры, показало, что мощность излучения из передней грани диода с ограниченной длиной актив­ной области примерно в 1,7 раза больше, чем у обыч­ного полоскового диода. Мощность излучения составила около 2 мВт при токе 250 мА.

В работе [132] получены более высокие энергетичес­кая яркость 1000 Вт/(ср-см2) и частота модуляции из­лучения (до 250 МГц), чем в работе [130]. Эти парамет­ры достигнуты в связи со следующим: выращенная двойная гетероструктура действует как волновод, что приводит к резкому снижению расходимости излучения

в плоскости, перпендикулярной плоскости р—п-перехо­да; из-за узкой нелегированной активной области (тол­щина около 0,05 мкм) резко возросла концентрация ин­жектированных носителей, чуо способствовало пониже­нию времени жизни и, тем самым, повышению предель­ной частоты модуляции.

Структура диода содержит легированный Sn слой n-эмиттера Alo,45Gao,55As (п« 1-Ю17 см-3) толщиной 2 мкм, нелегированную активную область GaAs или Alo.1Gao.9As толщиной 0,05 мкм и р-эмиттер Alo^sGao. ssAs, легированный Ge(p~5-10~17 см-3), толщиной 2 мкм, а также слои GaAs с обеих сторон двойной гетерострук­туры. Контакт к p-области имел полосковую геометрию шириной 65 мкм. Длина диода 150 мкм. На зеркала диода нанесены просветляющее и отражающее покры­тия соответственно назначению. Излучателъные харак­теристики образцов диодов следующие. Полуширина диаграммы направленности излучения в плоскости, пер­пендикулярной плоскости р—n-перехода, составила 25— —30° при толщине активной области 0,05 мкм. Внешний квантовый выход излучения диодов с торца составил 1 % (ток 400 мА, напряжение 1,8 В) Из-за низкого уровня легирования активной области наблюдалась узкая спект-

О

ральная полоса излучения (200—300 А), что способст­вовало уменьшению дисперсии при распространении сиг­нала по волокну.

В работе [133] сообщается о создании торцевых дио­дов с волноводной структурой, изображенной на рис. 6.15. Свет, генерируемый в активной области, распространя­ется вдоль оптического волновода и вдоль активной об­ласти (лучи А и В). Так как ширина запрещенной зо­ны в волноводном слое больше, чем в активном слое, поглощение фотонов в волноводном слое мало и опре­деляется только поглощением на свободных носителях. В связи с этим внешний квантовый выход излучения определяется, в основном, фотонами, распространяющи­мися по волноводу. Для улучшения оптической связи между активным и волноводным слоями различие в ко­эффициентах преломления делается не более 0,04, что соответствует разнице в ширине запрещенной зоны 0,1 эВ. Однако этой разницы в Ел вполне достаточно для эффективного ограничения носителей в активной об­ласти. Оптическое ограничение излучения в волноводе достигается различием коэффициентов преломления ог­раничивающих слоев и волновода около 0,17. Для полу - 174

чения достаточного волноводного эффекта соотношение толщине волноводного и активного слоев должно быть не менее десяти.

Кристалл с вышеописанной структурой имел полос­ковый контакт и припаивался на теплоотвод из алмаза. На излучающую грань диода наклеивали полусфери­ческую линзу диаметром 300 мкм, которая увеличивала внешний квантовый выход излучения и эффективность ввода излучения в оптическое волокно с малым прием­ным углом.

Без линзы энергетическая яркость в угле 10° была около 500 Вт/(ср-см2) при 300 мА. С линзой эта вели­чина составила 1400 Вт/(ср-см2). Мощность излучения диода линейно возрастала с ростом тока вплоть да 500 мА (7 кА/см2), температура перехода при этом уве­личивалась лишь на 15 °С. Использование линзы уве­личивало мощность излучения в 2,4—3 раза. Так как размеры области излучения меньше диаметра световода (7X50 мкм и 0 80 мкм соответственно), то в световод с числовой апертурой 0,16 удалось ввести мощность 0,6 мВт (ток 300 мА). Это соответствовало коэффици­енту ввода излучения в волокно более 20 %.

Стабильность диодов в работе проверяли при токе 300 мА (3—4 кА/см2) в атмосфере азота при 20 °С. В те­
чение 4500 ч деградация не была замечена. Оценочное значение срока службы (при падении мощности излуче­ния в 2 раза) — 105 ч.

Один из дальнейших путей совершенствования тор­цевых диодов с водноводным слоем рассмотрен в рабо­те [134]. В ней предложена структура с широкозонным эмиттером, в которой показатель преломления плавно уменьшается по мере удаления от активного слоя (рис. 6.16). В этой структуре фотоны, генерируемые в активном слое, будут распространяться по криволиней­ным траекториям и подходить к торцу диода под углами, меньшими соответствующих углов падения для эмитте­ров с постоянным показателем преломления. Поэтому большая часть излучения будет выходить из диода под малыми углами относительно нормали к торцу. Высо­кое содержание AIAs в слое p-Alo.5Gao.5As выбирали для увеличения отражения излучения в слой переменного состава.

Теоретически для толстых эмиттеров показано, что при квадратичном профиле показателя преломления эмиттера выигрыш в эффективности от использования рассматриваемых диодов по сравнению с торцевыми диодами с постоянным показателем преломления может превышать пять раз (при использовании световодов с числовой апертурой 0,14).

В экспериментах, проведенных без использования покрытий, максимальная внешняя квантовая эффектив­ность излучения, выходящего через один торец диода, была достигнута в образцах с расстоянием между тор­цами 100 мкм и составляла 2,7 %. Отметим, что для диода с эмиттером постояннцго состава предельное зна­чение внешней квантовой эффективности при выводе излучения через один торец не превышает 1,4 %.

Таким образом, наличие волноводного слоя позволя­ет увеличивать внешний квантовый выход излучения, энергетическую яркость и эффективность ввода излуче­ния в волокно.

В последнее время созданы также излучатели на дли­ну волн 1,05 и 1,2—1,3 мкм. Рассмотрим их устройство и характеристики.

В работе [135 и др.] описаны излучающие диоды из Ini-sGaaAsi-j/Py на подложке InP с длиной волны излу­чения 1,05—1,3 мкм (например, диод CXL011 фирмы «Плесси»). Устройство диодов аналогично устройству диода Барраса (рис. 6.17). Примерный состав активной

Рис. 6.17. Устройство дио­да типа CXL011 из Ini_3tGajcAsi—уРу [135]:

/ — область основной излучатель­ной рекомбинации; 2 —контакт к " п InP; 3 — торец волокна; 4 — мик­ролинза; 5 — подложка n-InP; 6 — * питаксиальный n-InP; 7 — 1^1 jcGa3c^sl у **у с Р—^-перехо­дом; 8 — />1пР; 9 — диэлектрик;

10 — контакт к р-InP; //—тепло­отвод из золота

области для излучения длиной волны 1,3 мкм — 1п0 ,75Gao,25Aso,52Po,48- Для повышения частоты модуля­ции активная область имеет малую толщину (0,6— 0,7 мкм). Излучение выводится перпендикулярно плос­кости р — «-перехода и фокусируется на приемный сер­дечник волокна с помощью микролинзы. Активная область имеет диаметр в пределах 14—100 мкм. Микро­линзу диаметром 60—150 мкм изготавливают из тита - но-кремниевого стекла с п= 1,9 и устанавливают в вы­травленной ямке прозрачной InP-подложки. Одна сто­рона линзы полируется до получения плоской площадки.

Омические контакты к л-InP изготавливали из ком­позиции Au — In — Ge, к р-InP — из Аи — Zn (2 %) или Аи — Zn — Ті.

Мощность излучения без линзы при диаметре актив­ной области 50 мкм и длине волны излучения 1,3 мкм достигала 5 мВт при токе 150 мА (тівн^З %). Энерге­тическая яркость достигала 30 Вт/(ср-см2) при токе 100 мА. Полуширина спектральной полосы излучения увеличивается с ростом концентрации носителей в ак­тивной области и составила около 75 нм при р~ « 10і8 см~3.

В работе [135] показано, что максимальный ввод излучения в волокно диаметром 85 мкм и числовой апертурой 0,16 достигается при диаметре активной об­ласти 14 мкм и отношении H/R микролинзы, примерно равном 0,2, где Н — высота сполированного сегмента, a R — радиус лннзы, равный примерно 50 мкм. Мощ­ность излучения, введенного в волокно, составила 100 мкВт при токе 25 мА. Однако приборы со столь ма­лой площадью активной области работали стабильно только до тока 40 мА. Максимальная мощность излуче­
ния 206 мкВт при токе 100 мА была введена в волокно при диаметре активной области 18 мкм.

Из-за высокой концентрации инжектированных носи­телей, обусловленной малой площадью и толщиной ак­тивной области, частота модуляции излучения достига­ла 150—300 МГц.

Имеются сообщения о создании источников из ІПі-jcGaxAsi-yPj/ с двумя р— n-переходами в одном кристалле. Источники могут независимо излучать на длине волны 1,15 и 1,3 мкм. Использование двух длин волн излучения позволяет увеличить объем передавае­мой информации.

Для изготовления диодов с длиной волны излучения 1,06 мкм перспективно также соединение Ga^In^As. В работе [136] сообщается о создании диода из Gai-xInxAs в конструкции, аналогичной конструкции диода Барраса. Слои Gai-^InsAs п - и p-типов выращи­вались на подложке GaAs газовой эпитаксией. Слой n-типа легировался серой, р-слой — цинком. Слой р-ти- па имел толщину около 6 мкм, слой постоянного состава n-типа —15 мкм. Активная область имела диаметр 50 мкм. Напротив активной области в подложке GaAs вытравливалась ямка для фиксирования волокна. Та­кой диод позволил получить энергетическую яркость 15 Вт/(ср-см2) при токе 100 мА на длине волны излу­чения 1,06 мкм. Частота модуляции излучения превыси­ла 150 МГц. Следует отметить, что излучающие диоды из Gai-jJnjcAs способны перекрыть диапазон длин волн в пределах 0,9—3,45 мкм.

Для получения большей мощности излучения приме­няют суперлюминесцентные диоды. Суперлюминесцент - ные диоды занимают промежуточное положение между полупроводниковыми лазерами и излучающими диода­ми. Они представляют собой торцевые излучатели, ра­ботающие на том участке ватт-амперной характеристи­ки, на котором наблюдается оптическое усиление (так называемое стимулированное излучение), однако лазер­ный эффект не достигается. Суперлюминесцентные ди­оды изготавливают в основном, в виде обычной четырех­слойной лазерной гетероструктуры в системе AIAs — GaAs[137 и др.]. Устройство диодов представлено на рис. 6.18. Активная область имеет толщину 0,1—0,5 мкм, что позволяет получить высокую плотность инжектиро­ванных носителей. Наличие двойной гетероструктуры способствует проявлению волноводных свойств. Полос-

Рис. 6.18. Устройство супер- люминесцентного диода [137]:

1 — полосковый омический контакт;

2 — диэлектрический слой; 3 — ак­тивная область (заштрихована об­ласть рекомбинации); 4 — сколотая грань диода; 5—нижний омический

контакт

новый контакт шириной 12,5—35 мкм достигает свето­выводящей грани (созданной сколом) и не доходит до противоположной грани для введения потерь с целью подавления лазерного эффекта. Длина диода варьиро­валась от 0,125 до 1,5 мм.

Зависимость мощности излучения от плотности тока имеет четыре участка. При низкой плотности тока мощ­ность излучения почти линейно зависит от плотности тока. В этом случае генерируется спонтанное излучение и внешний квантовый выход излучения ниже, чем у обычных излучающих диодов, в связи с оптическими по­терями в активной области. При увеличении плотности тока начинает наблюдаться стимулированное излучение и мощность излучения возрастает экспоненциально с ростом тока. При дальнейшем увеличении плотности то­ка мощность излучения изменяется линейно с ростом тока в результате того, что наблюдается насыщение уси­ления. Этот участок ватт-амперной характеристики наи­более оптимален для работы суперлюминесцентного диода, так как дифференциальный внешний квантовый выход излучения на нем выше, чем у обычного излуча­ющего диода, а сигнал претерпевает наименьшие иска­жения при модуляции, поскольку зависимость P=f(I) линейна, а спектральное положение и ширина полосы излучения, а также диаграмма направленности излуче­ния меняются с током пренебрежимо мало. При очень высоких плотностях тока дифференциальная эффектив­ность понижается благодаря уменьшению усиления.

Мощность излучения возрастает при увеличении дли­ны диода. При длине диода 1,5 мм мощность излучения может достигать 60 мВт при плотности тока 3 кА/см2. Внешний дифференциальный квантовый выход достига-

ет 3,5 % •

Спектр излучения суперлюминесцентного диода су-

О

жается примерно с 400 А при малых токах (отсутствует

оптическое усиление) до 60—80 А в интервале токов в котором имеет место оптическое усиление. Узкий спектр излучения приводит к уменьшению дисперсии при передаче сигналов по волокну.

Полуширина диаграммы направленности излучения в плоскости р — n-перехода зависит от длины диода и составляет примерно 80° при длине 0,125 мм и 6—8° при длине 1 — 1,5 мм. Полуширина диаграммы направ­ленности излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости р — л-перехода, равна 60 °, если разница между показателями преломления в активной области и эмиттерах равна 5 %. При уменьшении разницы по­луширина может быть доведена до 20 °.

Благодаря узкой диаграмме направленности излуче­ния эффективность ввода излучения в волокно очень ве­лика. Так, при числовой апертуре 0,63 в волокно вво­дится более 80 % излучения.

Частота модуляции излучения суперлюминесцент - ным диодом может достигать 1 ГГц, так как благодаря эффекту стимулированного излучения резко снижается время жизни носителей (меньше 1 не).

Таким образом, по сравнению с излучающими диода­ми суперлюминесцентный диод характеризуется более высоким дифференциальным квантовым выходом излу­чения, уменьшенной спектральной шириной полосы из­лучения и улучшенным вводом излучения в волокно. Благодаря уменьшению - спектральной ширины возраста­ет пропускная способность ВОЛС. Однако достижение этих высоких характеристик требует увеличения тока накачки до уровня, сравнимого с током накачки лазе­ров.

В работе [138] проведено сравнение характеристик диодов Барраса и диодов с торцевым выводом излуче­ния. Анализ имеющихся данных показывает, что по­верхностные диоды значительно эффективнее торцевых. Однако торцевые диоды имеют существенно более низ­кие потери при сопряжении с волокном, чем поверхност­ные. При числовой апертуре волокна, меньшей 0,3, тор­цевые диоды оказываются эффективнее поверхност­ных. Если же v>0,3, то ситуация меняется на обрат­ную.

В целом торцевые диоды предпочтительнее для высо­кочастотных линий, где используются волокна с низкой числовой апертурой. Поверхностные диоды эффективна применять для коротких линий (с волокнами с высокой ISO числовой апертурой). Следует заметить, что плотность тока в торцевых диодах существенно ниже, чем у по­верхностных диодов, что способствует повышению их надежности в работе.

Поскольку совершенствование излучающих диодов имеет большое значение для развития средств связи, в этой области проводятся интенсивные технологические исследования. В этой связи следует отметить первые опыты использования молекулярно-лучевой эпитаксии для создания ИК диодов из Gai-jALAs и металло-орга - нической газовой эпитаксии для создания ИК диодов на основе Ini-xGaaAsi-j/P,, с излучением в спектральной области 1,3 мкм. В обоих случаях параметры излучаю­щих диодов приближаются к параметрам жидкостно­эпитаксиальных диодов. Обе рассмотренные технологии перспективны, так как позволяют обеспечить прецизи­онный контроль за составом выращиваемых слоев.