39

2. Emitery

W telekomunikacji światłowodowej wykorzystuje się dwa rodzaje źródeł
promieniowania świetlnego: diody elektroluminescencyjne i lasery. Diody
wytwarzają światło niespójne, natomiast lasery spójne (zgrane w fazie i
energii).

DEL - dioda elektroluminescencyjna (LED) - dioda półprzewodnikowa
emitująca strumień fotonów w wyniku zamiany energii elektrycznej na
promienistą. Jest to przyrząd pracujący z wykorzystaniem złącza p-n.

Laser - Light Amplification by Stimulated Emmision or Radiaton -
wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to
kwantowy generator optyczny prawie spójnego promieniowania
elektromagnetycznego z zakresu widma od dalekiej podczerwieni do
ultrafioletu, w którym generację uzyskano wykorzystując zjawisko
wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu czyli po
inwersji obsadzeń. W tej definicji nie ma nic na temat ośrodka. Ogólnie
rzecz biorąc, laser składa się z ośrodka czynnego, rezonatora optycznego i
układu pompującego. Promieniowanie rozchodzące się wzdłuż osi
optycznej rezonatora ulega wzmocnieniu w procesie emisji wymuszonej
na skutek odbić od zwierciadeł rezonatora. Gdy wzmocnienie jest większe
od strat występujących w rezonatorze otrzymujemy generację
promieniowania.

Rezonator Fabry-Perot - wnęka optyczna działająca na zasadzie
interferometru F-P. Składa się ona z dwu zwierciadeł, z których jedno jest
całkowicie odbijające, a drugie półprzepuszczalne dla promieniowania
emitowanego przez laser. Zwierciadła te tworzą wnękę optyczną, która
może pracować tylko dla tych długości fali promieniowania, dla których
powstaje między zwierciadłami fala stojąca. Promieniowanie odbite od
zwierciadeł zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne konieczne do
podtrzymania oscylacji, a promieniowanie przechodzące przez
półprzepuszczalne zwierciadło jest emitowane na zewnątrz w postaci
wiązki.

Z punktu widzenia optoelektroniki najciekawsze są lasery
półprzewodnikowe, czyli lasery złączowe - lasery, w których ośrodkiem
czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik. Odwrócenie obsadzeń
poziomów energetycznych w materiale półprzewodnikowym osiąga się

40

wstrzykując mniejszościowe nośniki ładunku za pomocą złącza p-n (lub
heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

4.1 Diody elektroluminescencyjne

Materiałem konstrukcyjnym na diody LED są związki grupy AIIIBV z
prostą przerwą energetyczną. Stosuje się zarówno dwu, trzy jak i
czteroskładnikowe półprzewodniki. Istotą konstrukcji i technologii jest
dobranie składu, który zapewni odpowiednią długość emitowanej fali oraz
dopasowanie sieciowe do podłoża.

Najprostsza dioda to po prostu złącze p-n spolaryzowane w kierunku
przewodzenia. Zwiększona koncentracja nośników mniejszościowych w
obszarze o przeciwnym typie przewodnictwa prowadzi do rekombinacji
par elektron-dziura. Energia wyzwolona w tej rekombinacji jest w
przybliżeniu równa wartości przerwy energetycznej Eg. Jeśli energia ta
będzie w postaci fotonu, to długość emitowanej fali określona jest
strukturą energetyczną materiału.

Istnieją różne podziały diod LED. Najczęściej stosowane to:

1. ze względu na materiał: homozłączowe i heterozłączowe,
2. ze względu na kierunek wyprowadzenia światła względem

płaszczyzny złącza p-n: powierzchniowe i krawędziowe,

3. ze względu na zastosowania: sygnałowe i do sprzęgania ze

światłowodami.

Oczywiście, każdy typ diody można spotkać w różnych kombinacjach
podziału.

41

4.1.1 Parametry diod LED

Do parametrów o szczególnym znaczeniu należy zewnętrzna
sprawność kwantowa h

zew

definiowana jako:

gdzie:

f

z

- liczba fotonów wyemitowana przez LED,

n - liczba elektronów przepływająca przez

obszar, w którym zachodzi rekombinacja,

P - moc wyjściowa diody,

I - prąd płynący przez diodę.

Sprawność energetyczna η:

gdzie:

U - napięcie przyłożone do diody,

R

s

- rezystancja szeregowa diody.

Od czego zależy η

zew

?

gdzie:

h

i

- współczynnik efektywności wstrzykiwania,

h

wew

- wydajność kwantowa wewnętrzna,

h

l

- efektywność generacji światła,

h

o

- współczynnik ekstrakcji (wyprowadzenie

światła na zewnątrz).

42

Ponieważ światło generowane jest w obszarze p, to dla
otrzymania wysokiego współczynnika wstrzykiwania należy
spełnić warunek, żeby prąd elektronowy przeważał nad
prądem dziur i żeby rekombinacja w obszarze ładunku
przestrzennego była mała.

Współczynnik wstrzykiwania h

i

I

e

-

prąd elektronowy

I

p

-

prąd złącza

spolaryzowanego w
kierunku przewodzenia

D

n

≈ D

p

jeżeli n>>p

L

p

i L

n

- droga swobodna nośników mniejszościowych

czyli h

i

®1 jeżeli N

D

>> N

A

Współczynnik efektywności generacji światła h

l

Gdy rekombinacja niepromienista dąży do zera, to h

l

dąży do 1.

W przypadku diody czerwonej GaP w warstwie typu p powinna być
duża koncentracja kompleksów Zn-O, a w obszarze złącza nie
powinno być dużej koncentracji centrów rekombinacji
niepromienistej.

43

Wydajność kwantowa wewnętrzna h

w

h

w

= h

i

×h

l

zależy od poziomu domieszkowania i warunków otrzymywania struktury
diody.

Zależność promieniowania od koncentracji w warstwie czynnej, a więc

h

E

= h

w

×h

o

Współczynnik wyprowadzenia światła (ekstrakcji) h

o

Rozkład przestrzenny promieniowania diody jest bardzo niekorzystny. Przybliża się go

rozkładem Lamberta o szerokości wiązki 120°. Charakterystyka kierunkowa promieniowania

jest określona zależnością:

gdzie:

dW - mały kąt bryłowy,

dP - moc wypromieniowane przez diodę w kącie dW,

a, f - położenie kąta dW w przestrzeni.

Diody powierzchniowe mają zazwyczaj charakterystyki symetryczne
względem osi głównej. Najczęściej przybliża się je tak:

44

gdzie k określa kształt charakterystyki. Najczęściej k=1.

Kąt graniczny

gdzie:

n

o

- współczynnik załamania światła w powietrzu,

n - współczynnik załamania światła w materiale, z

którego wykonano diodę.

Dla GaAs: n = 3,6 i Q

c

≈ 16° - poza tym kątem następuje całkowite

wewnętrzne odbicie, co utrudnia wyprowadzenie promieniowania na
zewnątrz.

Wyprowadzono zależność (doświadczalną) h

o

od parametrów

konstrukcyjnych diody LED:

gdzie:

V - objętość diody,

T - średni współczynnik transmisji powierzchni,

A - całkowita powierzchnia diody,

b - średnie straty związane z wewnętrznym odbiciem od

nieprzeźroczystych części powierzchni,

f - część (%) powierzchni nieprzezroczystej.

45

Współczynnik transmisji T

Dla wiązki padającej prostopadle do powierzchni granicznej;

T

N

= 4 n (1 + n)

-2

Dla GaP T

N

= 0,714, T

śr

= 0,695.

n↓ → T

N

↑, (T

N

:T

śr

)↑

Dlatego przy opracowywaniu konstrukcji, optyki geometrycznej
odpowiadającej za wyprowadzenie światła na zewnątrz stosuje się:

•

taką geometrie diody, aby większość promieniowania padała na
granicę rozdziału pod kątem mniejszym od kąta granicznego,

•

zwiększenie kąta granicznego poprzez umieszczenie diody w
obudowie o współczynniku załamania spełniającym nierówność: n

pow

< n < n

pp

,

•

naniesienie antyodblaskowego pokrycia na powierzchni diody,

•

naniesienie warstwy odblaskowej (Si

i

O

2

) na kontakcie dolnym.

46

4.1.2 Właściwości diod elektroluminescencyjnych

•

Dioda elektroluminescencyjna emituje światło o mocy narastającej w
przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania. Dlatego diody są
dobrym źródłem światła dla modulacji analogowej. Nieliniowość
wynika z typu diody.

•

Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w
rozbieżnych kierunkach, kąt rozbieżności jest zwykle większy od 20°.

•

LED emituje dość szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału
długości fali - ok. 20 nm.

•

LED emituje małą moc sygnału - znacznie poniżej 100mW.

•

Znacznie niższy koszt w porównaniu z laserem półprzewodnikowym.

Ze względu na szerokie pasmo częstotliwościowe emitowanej wiązki
światła diody elektroluminescencyjne są stosowane w realizacji tanich
łączy o niezbyt odległej i niezbyt szybkiej transmisji, w połączeniu ze
światłowodami wielomodowymi.

Spośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych w
telekomunikacji światłowodowej znalazły zastosowania trzy z nich: dioda
powierzchniowa, krawędziowa i superluminescencyjna.

47

4.1.3 Diody powierzchniowe

Najprostsze do wykonania diody elektroluminescencyjne
wykorzystują homozłącza p-n do wstrzykiwania nadmiarowych
elektronów do warstwy p, w której następuje rekombinacja
promienista. Gęstość prądu sięga kilku tysięcy A/cm

2

. Proces

osiągać może sprawności kwantowe rzędu 50%, ale niestety nie
decyduje to całkowitej sprawności diody.

Najczęściej stosowana w telekomunikacji jest konfiguracja diody
typu Burrusa. Wykonuje się tam zagłębienie w podłożu z GaAs w
celu zmniejszenia zachodzącej w nim silnej absorpcji emitowanego
promieniowania i maksymalnego zbliżenia światłowodu do
struktury emitującej światło. Promieniowanie trafia bezpośrednio
do światłowodu.

48

4.1.4 Diody krawędziowe

Struktura diody Burrusa niezbyt dobrze ogranicza obszar, w którym
płynie prąd, co prowadzi do niekorzystnego zmniejszenia gęstości
prądu i powiększenia obszaru, z którego emitowane jest
promieniowanie. Pokazana dioda ma konstrukcję podobną do lasera
paskowego.

49

4.1.5 Dioda superluminescencyjna

Struktura diody superluminescencyjnej jest podobna diody krawędziowej
i lasera półprzewodnikowego. Od lasera różni się tym, że jeden z jej
końców ma duże straty optyczne, co zapobiega odbiciom, a w
konsekwencji akcji laserowej.

50

4.2 Lasery

Typ lasera

l[nm]

Rodzaj pracy,

długość impulsu

Zastosowanie

rubinowy

694,3

impulsowa ,30÷

3·10

5

m

3

technologiczne, spawanie,

topienie, wiercenie, dentystka,

biologia

neodymowy

1060

ciągła lub impusowa

(15ns)

telekomunikacja, laserowe

układy śledzące, kontrolowane

reakcje jądrowe

półprzewodnikowy

GaInAsP, GaAs,

AlGaAs

800÷1600

ciągła lub impulsowa

(10

2

ns)

telekomunikacja

barwnikowy

przestrajany

200÷800

ciągła lub impulsowa

(2÷2·10

3

ns)

pompowany laserem

N

2

lub Ar

spektroskopia, rozdzielanie

izotopów, biologia

He-Ne

632,8

ciągła

interferometria, metrologia,

holografia, geodezja

argonowy jonowy 488÷514,5

ciągła lub impulsowa

(10

3

ns)

chirurgia, spektroskopia

azotowy

337,1

impulsowa (10ns)

spektroskopia, reakcje

fotochemiczne

CO

2

10600

ciągła lub impulsowa

(10

2

÷5·10

4

ns)

laserowe układy śledzące,

chirurgia, obróbka materiałów,

cięcie i spawanie metali,

kontrolowane reakcje jądrowe,

rozdzielanie izotopów

51

4.2.1 Typy laserów

W zależności od ośrodka czynnego rozróżniamy:

•

Lasery gazowe atomowe, np. He-Ne,

•

lasery gazowe molekularne, np. N

2

-CO

2

-He,

•

lasery gazowe jonowe, np. Ar

+

,

•

lasery krystaliczne czyli na ciele stałym, np. rubinowy, YAG,

•

lasery szklane, np. neodymowy,

•

lasery półprzewodnikowe, np. GaAs-AlGaAs,

•

lasery barwnikowe, np. z roztworem rodaminy,

•

lasery chemiczne, np. wykorzystanie reakcji syntezy
wzbudzonego HF lub DF do pobudzenia ośrodka czynnego.

4.2.2 Lasery półprzewodnikowe

Lasery półprzewodnikowe, czyli kwantowe generatory optyczne
są laserami złączowymi, w których ośrodkiem czynnym
(aktywnym) jest półprzewodnik. Inwersję obsadzeń poziomów
energetycznych, (inaczej pompowanie) uzyskuje się poprzez
wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru
złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku
przewodzenia.

Rezonator czyli wnęka ma najczęściej kształt prostopadłościanu o
rozmiarach rzędu ułamka milimetra. Sprzężenie optyczne uzyskuje
się dzięki parze zwierciadeł prostopadłych do płaszczyzny obszaru
czynnego (rezonator Fabry’ego-Perota) lub dzięki specjalnie
pofałdowanej powierzchni równoległej do tego obszaru (lasery z
rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB - Distributed FeedBack).
Obszar czynny leży w płaszczyźnie złącza p-n i jest zwykle
ograniczony do wąskiego paska.

Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć
odpowiednią wartość zwaną prądem progowym I

th

.

52

Emisja wymuszona jest emisją w dużym stopniu uporządkowaną, a
emitowana wiązka światła ma niewielką rozbieżność kątową,
zazwyczaj kilka stopni. Stosowane w telekomunikacji lasery dają
dużą moc dochodzącą do jednego wata. Istotną zaletą diody
laserowej jest jej wąskie widmo częstotliwościowe
promieniowania, rzędu kilku nanometrów lub nawet kilku
dziesiątych części nanometra. Jednakże, obecność zwierciadeł na
końcach struktury może spowodować generację kilku różnych
długości fal promieniowania - długość rezonatora jest skwantowana
i wytworzyć się może kilka fal stojących. Dlatego też widmo
częstotliwościowe promieniowania laserowego jest widmem
dyskretnym. Wyróżnia się z tego powodu dwa typy laserów:

•

wielomodowe - generacja kilku (co najmniej dwóch) modów
laserowych różniących się częstotliwością i długością fali
świetlnej.

•

jednomodowe - generacja jednego modu laserowego czyli
jednej częstotliwości i jednej długości fali świetlnej.

53

W rezonatorze wzbudzają się tylko te rodzaje drgań pola
elektromagnetycznego (zwane modami), którym odpowiada
największa dobroć rezonatora. Długości fal emitowanego
promieniowania skupionego w powyższych modach można więc

54

wyznaczyć z warunku na wytworzenie fali stojącej w rezonatorze
prostokątnym:

gdzie:

d

r

, W

r

,

L

- grubość, szerokość, długość rezonatora,

q

- oznacza liczbę połówek fali danego modu wzdłuż osi z,

m, s

- ilość miejsc zerowych w rozkładzie natężenia pola

elektrycznego promieniowana danego modu wzdłuż osi x
i y.

Rozróżnia się w ten sposób trzy rodzaje modów:

•

mody podłużne - różniące się jedynie liczbą połówek fali wzdłuż
osi z, czyli o różnych wartościach q, o tych samych wartościach m i
s,

•

mody boczne - różne s, to samo m i q,

•

mody poprzeczne - różne m, to samo q i s.

W przypadku wzbudzania się w rezonatorze jedynie osiowych modów
podłużnych (m=s=0), zależność powyższa redukuje się do postaci:

Wówczas odległości na charakterystykach widmowych między kolejnymi
modami można wyrazić zależnością:

Dla typowego rezonatora GaAs o długości L = 400 m,

wynosi około

0,25nm (T=300K).

55

4.2.3 Bilans mocy lasera złączowego

Przetwarzanie energii pobieranej ze źródła zasilania na energię
użytecznego promieniowania emitowanego z lasera złączowego
cechuje się kilkoma różnymi rodzajami strat, mianowicie:

•

w czasie transportu nośników ładunku generowane jest ciepło
Joule'a,

•

rekombinacja niepromienista nośników,

•

oprócz promieniowania wymuszonego emitowane jest również
promieniowanie spontaniczne,

•

część promieniowania wymuszonego przed wyemitowaniem na
zewnątrz przyrządu jest absorbowana (bądź rozpraszana) w
warstwach biernych (straty dyfrakcyjne) i w warstwie czynnej
na swobodnych nośnikach i niedoskonałościach sieci
krystalicznej.

56

57

4.2.4 Charakterystyka prądowo-napięciowa lasera

4.2.4.1 Akcja laserowa

Aby mogła zaistnieć akcja laserowa konieczne jest spełnienie
warunków:

•

Wzmocnienie musi równoważyć straty w rezonatorze.

•

Promieniowanie musi mieć charakter promieniowania
koherentnego czyli spójnego, a więc o tej samej
częstotliwości i fazie.

Założenia do analizy warunków progowych akcji laserowej w
rezonatorze Fabry'ego-Perota

•

Częściowa transmisja możliwa jest tylko przez jedno
zwierciadło rezonatora R1.

•

Drugie zwierciadło R2 charakteryzuje się zerową transmisją.

•

W zwierciadłach zachodzą zjawiska absorpcji, rozpraszania i
dyfuzji (straty).

•

W warstwach ograniczających rezonator F-P zachodzi absorpcja
(straty).

•

W rezonatorze F-P obserwujemy straty w wyniku rozpraszania
na defektach i niejednorodnościach ośrodka.

Jeśli przez I

0

oznaczymy początkowe natężenie fali świetlnej, a

wzmocnienie g jest większe od sumarycznych strat γ, to:

I=I

0

·R1·R2·exp[2(g-γ)L]

gdzie:

L -długość rezonatora.

Próg wzmocnienia (I=I

0

):

R1·R2·exp[2(g- γ)L]=1

Stąd wzmocnienie progowe:

58

Pierwszy składnik reprezentuje straty rezonatora F-P, a drugi
użyteczną akcję laserową.

W pierwszej fazie akcji laserowej niezbędne jest spełnienie
warunku g >> g

th

. Po kilku oscylacjach wzmocnienie stabilizuje się

na poziomie g

th

(obserwuje się znaczny wzrost inwersji obsadzeń i

wzmocnienie maleje). Należy podkreślić, że efektywność akcji
laserowej będzie zależeć nie tylko od wzmocnienia w rezonatorze
F-P, ale również od efektywności generacji inwersji obsadzeń.

4.2.4.2 Prąd progowy

Warunkiem wystąpienia akcji laserowej w laserze złączowym jest
spełnienie warunku progowego:

G = Γ

m

g(x) >= Γ

m

g

th

= α

i

+α

k

gdzie:

G - współczynnik wzmocnienia modowego (stosunek

strumienia promieniowania ograniczonego w warstwie
centralnej do całkowitego strumienia promieniowania
generowanego w laserze,

Γ

m

- współczynnik wypełnienia falowodu,

g(x) - wzmocnienie lokalne,

α

k

- straty krawędziowe,

α

i

- straty wewnętrzne promieniowania.

59

α

i

=Γ

m

d

fc

+(1-Γ

m

) d

wy

+α

s

+α

c

gdzie:

d

fc

- współczynnik absorpcji na swobodnych nośnikach w

obszarze czynnym,

d

wy

- współczynnik absorpcji (głównie na swobodnych

nośnikach) w obszarach ograniczających,

α

s

- współczynnik strat spowodowanych rozpraszaniem

promieniowania na niedoskonałościach sieci krystalicznej
obszaru czynnego i zaburzeniach jego grubości,

α

c

- współczynnik strat związany z penetracją promieniowania

poza warstwy ograniczające,

R - współczynnik odbicia,

L - długość rezonatora.

Eksperymentalnie prąd progowy lasera złączowego (podstawowy
parametr) można wyznaczyć badając na przykład jego
charakterystykę emisyjną, tj. zależność mocy P emitowanego
promieniowania od prądu zasilania I. Wartość I

th

leży w miejscu

przecięcia przedłużenia prostolinijnej, szybko wznoszącej się części
charakterystyki z osią odciętych.

Przyrostowa zewnętrzna sprawność kwantowa a prąd progowy

Można zapisać, że prąd progowy akcji laserowej ma postać:

gdzie:

d -grubość warstwy aktywnej,

R

sp

-szybkość emisji spontanicznej na jednostkę

objętości,

n

th

-progowa koncentracja nośników

wstrzykiwanych do obszaru czynnego.

60

I

th

- prąd progowy;

d

- przyrostowa zewnętrzna sprawność

kwantowa, można ją również przedstawić jako:

Wielkość tego parametru można też obliczyć na podstawie
znajomości parametrów konstrukcyjnych lasera złączowego z
zależności:

gdzie:

α

i

-straty wewnętrzne promieniowania,

R

1

, R

2

-współczynniki odbicia promieniowania od

obydwu zwierciadeł rezonatora,

η

i

-sprawność kwantowa wewnętrzna.

61

4.2.4.3 Szerokość połówkowa widma emisyjnego

P(ν)

- funkcja kształtu (poszerzenia),

P(ν)d ν - definiuje prawdopodobieństwo, że obserwowana emisja (lub

absorpcja) w wyniku przejść między pasmami
podstawowym i przewodnictwa będzie wynikiem generacji
fotonu o częstotliwości z przedziału częstotliwości
ν ÷ ν +d ν.

Poszerzenie wywołane jest szeregiem mechanizmów:

•

Poszerzenie homogeniczne związane z oddziaływaniem foton -
fonon

gdzie:

AT - wpływ fononów akustycznych (A - stała

proporcjonalności, T - temperatura),

ξ

op

- stała,

ω

LO

- częstotliwość fononu optycznego, ω

LO

→ LO.

62

Jeśli temperatura rośnie, to:

o

Poszerzenie niehomogeniczne linii widmowej

ƒ

naprężenia lokalne,

ƒ

koncentracja domieszki, w tym niekontrolowane
(niechciane) zanieczyszczenia,

ƒ

klastery stopowe,

ƒ

szorstkość międzypowierzchni w heterostrukturach
i studniach kwantowych.

Tylko dla domieszek obserwuje się zależność temperaturową. Linie
kształtu można zdefiniować jako:

ν

0

- odnosi się do maksimum linii emisji spontanicznej.

63

4.2.4.4 Widmo promieniowania rezonatora Fabry-Perota

Mody podłużne generowane przez rezonator F-P:

L=ml/2n

r

i n

m

=mc/2Ln

r

gdzie:

n

m

- częstotliwość generowanych modów

Różnica częstotliwości między poszczególnymi modami podłużnymi:

dn = c/2Ln

r

Różnica długości propagującej się fali:

Jeśli L maleje, to ilość modów też maleje, bo dn rośnie.

64

4.3 Porównanie diodowych źródeł światła

Właściwości

LED

Diody laserowe

Diody laserowe

jednomodowe

Szerokość widmowa [nm]

20-100

1-5

<0,2

Czas narostu [ns]

2-250

0,1-1

0,05-1

Pasmo modulacji [MHz]

<300

2000

6000

Sprawność sprzęgania

1)

bardzo mała

średnia

duża

Pasujące włókno

wielomodowe SI

2)

wielomodowe GRIN

3)

wielomodowe GRIN

jednomodowe

jednomodowe

Czułość temperaturowa

mała

duża

duża

Złożoność obwodu

prosty

złożony

złożony

Czas życia [h]

10

5

10

4

-10

5

10

4

-10

5

Koszt

mały

duży

największy

Główne zastosowania

linie średniej długości,

średnie szybkości
transmisji danych

długie linie, duże

szybkości transmisji

danych

bardzo długie linie,

bardzo duże szybkości

transmisji danych

1)

Sprawność sprzęgania może być poprawiona przez użycie soczewek.

2)

I okno transmisyjne.

3)

II okno transmisyjne.