2. Emitery
W telekomunikacji światłowodowej wykorzystuje się dwa rodzaje z
ródeł
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 przechodzÄ…ce przez
półprzepuszczalne zwierciadło jest emitowane na zewnątrz w postaci
wiÄ…zki.
Z punktu widzenia optoelektroniki najciekawsze sÄ… lasery
półprzewodnikowe, czyli lasery złączowe - lasery, w których ośrodkiem
czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik. Odwrócenie obsadzeń
poziomów energetycznych w materiale półprzewodnikowym osiąga się
39
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.
40
4.1.1 Parametry diod LED
Do parametrów o szczególnym znaczeniu należy zewnętrzna
sprawność kwantowa hzew definiowana jako:
gdzie:
fz - 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 ·:
gdzie:
U - napięcie przyłożone do diody,
Rs - rezystancja szeregowa diody.
Od czego zależy ·zew?
gdzie:
hi - współczynnik efektywności wstrzykiwania,
hwew - wydajność kwantowa wewnętrzna,
hl - efektywność generacji światła,
ho - współczynnik ekstrakcji (wyprowadzenie
światła na zewnątrz).
41
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 hi
Ie - prÄ…d elektronowy
Ip - prąd złącza
spolaryzowanego w
kierunku przewodzenia
Dn H" Dp
jeżeli n>>p
Lp i Ln - droga swobodna nośników mniejszościowych
czyli hi®1 jeżeli ND>> NA
Współczynnik efektywności generacji światła hl
Gdy rekombinacja niepromienista dąży do zera, to hl 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.
42
Wydajność kwantowa wewnętrzna hw
hw = hi×hl
zależy od poziomu domieszkowania i warunków otrzymywania struktury
diody.
Zależność promieniowania od koncentracji w warstwie czynnej, a więc
hE = hw×ho
Współczynnik wyprowadzenia światła (ekstrakcji) ho
Rozkład przestrzenny promieniowania diody jest bardzo niekorzystny. Przybliża się go
rozkÅ‚adem Lamberta o szerokoÅ›ci wiÄ…zki 120°. Charakterystyka kierunkowa promieniowania
jest określona zależnością:
gdzie:
dW - mały kąt bryłowy,
dP - moc wypromieniowane przez diodÄ™ w kÄ…cie dW,
a, f - położenie kąta dW w przestrzeni.
Diody powierzchniowe majÄ… zazwyczaj charakterystyki symetryczne
względem osi głównej. Najczęściej przybliża się je tak:
43
gdzie k określa kształt charakterystyki. Najczęściej k=1.
KÄ…t graniczny
gdzie:
no - współczynnik załamania światła w powietrzu,
n - współczynnik załamania światła w materiale, z
którego wykonano diodę.
Dla GaAs: n = 3,6 i Qc H" 16° - poza tym kÄ…tem nastÄ™puje caÅ‚kowite
wewnętrzne odbicie, co utrudnia wyprowadzenie promieniowania na
zewnÄ…trz.
Wyprowadzono zależność (doświadczalną) ho 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
nieprzez
roczystych części powierzchni,
f - część (%) powierzchni nieprzezroczystej.
44
Współczynnik transmisji T
Dla wiÄ…zki padajÄ…cej prostopadle do powierzchni granicznej;
TN = 4 n (1 + n)-2
Dla GaP TN = 0,714, Tśr = 0,695.
n“! TNÄ™!, (TN:TÅ›r)Ä™!
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: npow
< n < npp,
" naniesienie antyodblaskowego pokrycia na powierzchni diody,
" naniesienie warstwy odblaskowej (SiiO2) na kontakcie dolnym.
45
4.1.2 Właściwości diod elektroluminescencyjnych
" Dioda elektroluminescencyjna emituje światło o mocy narastającej w
przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania. Dlatego diody są
dobrym z
ródłem światła dla modulacji analogowej. Nieliniowość
wynika z typu diody.
" Emisja spontaniczna jest emisjÄ… nieuporzÄ…dkowanÄ… i zachodzi w
rozbieżnych kierunkach, kÄ…t rozbieżnoÅ›ci jest zwykle wiÄ™kszy 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.
46
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/cm2. 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 zachodzÄ…cej w nim silnej absorpcji emitowanego
promieniowania i maksymalnego zbliżenia światłowodu do
struktury emitującej światło. Promieniowanie trafia bezpośrednio
do światłowodu.
47
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 konstrukcjÄ™ podobnÄ… do lasera
paskowego.
48
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.
49
4.2 Lasery
Rodzaj pracy,
Typ lasera l[nm] Zastosowanie
długość impulsu
technologiczne, spawanie,
impulsowa ,30÷
rubinowy 694,3 topienie, wiercenie, dentystka,
3·105 m3
biologia
telekomunikacja, laserowe
ciągła lub impusowa
neodymowy 1060 układy śledzące, kontrolowane
(15ns)
reakcje jÄ…drowe
półprzewodnikowy
ciągła lub impulsowa
GaInAsP, GaAs, 800÷1600 telekomunikacja
(102ns)
AlGaAs
ciągła lub impulsowa
przestrajany (2÷2·103ns) spektroskopia, rozdzielanie
barwnikowy
200÷800 pompowany laserem izotopów, biologia
N2 lub Ar
interferometria, metrologia,
He-Ne 632,8 ciągła
holografia, geodezja
ciągła lub impulsowa
argonowy jonowy 488÷514,5 chirurgia, spektroskopia
(103ns)
spektroskopia, reakcje
azotowy 337,1 impulsowa (10ns)
fotochemiczne
laserowe układy śledzące,
chirurgia, obróbka materiałów,
ciągła lub impulsowa
CO2 10600 cięcie i spawanie metali,
(102÷5·104ns)
kontrolowane reakcje jÄ…drowe,
rozdzielanie izotopów
50
4.2.1 Typy laserów
W zależności od ośrodka czynnego rozróżniamy:
" Lasery gazowe atomowe, np. He-Ne,
" lasery gazowe molekularne, np. N2-CO2-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 siÄ™ 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 płaszczyz
nie złącza p-n i jest zwykle
ograniczony do wÄ…skiego paska.
Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć
odpowiednią wartość zwaną prądem progowym Ith.
51
Emisja wymuszona jest emisją w dużym stopniu uporządkowaną, a
emitowana wiązka światła ma niewielką rozbieżność kątową,
zazwyczaj kilka stopni. Stosowane w telekomunikacji lasery dajÄ…
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.
52
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
53
wyznaczyć z warunku na wytworzenie fali stojącej w rezonatorze
prostokÄ…tnym:
gdzie:
dr, Wr, - grubość, szerokość, długość rezonatora,
L
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).
54
4.2.3 Bilans mocy lasera złączowego
Przetwarzanie energii pobieranej ze z
ródła 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
zewnÄ…trz przyrzÄ…du jest absorbowana (bÄ…dz
rozpraszana) w
warstwach biernych (straty dyfrakcyjne) i w warstwie czynnej
na swobodnych nośnikach i niedoskonałościach sieci
krystalicznej.
55
 56
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 ograniczajÄ…cych rezonator F-P zachodzi absorpcja
(straty).
" W rezonatorze F-P obserwujemy straty w wyniku rozpraszania
na defektach i niejednorodnościach ośrodka.
Jeśli przez I0 oznaczymy początkowe natężenie fali świetlnej, a
wzmocnienie g jest większe od sumarycznych strat ł, to:
I=I0·R1·R2·exp[2(g-Å‚)L]
gdzie:
L-długość rezonatora.
Próg wzmocnienia (I=I0):
R1·R2·exp[2(g- Å‚)L]=1
StÄ…d wzmocnienie progowe:
57
Pierwszy składnik reprezentuje straty rezonatora F-P, a drugi
użyteczną akcję laserową.
W pierwszej fazie akcji laserowej niezbędne jest spełnienie
warunku g >> gth. Po kilku oscylacjach wzmocnienie stabilizuje siÄ™
na poziomie gth (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 PrÄ…d progowy
Warunkiem wystąpienia akcji laserowej w laserze złączowym jest
spełnienie warunku progowego:
G = “mg(x) >= “mgth = Ä…i+Ä…k
gdzie:
G - współczynnik wzmocnienia modowego (stosunek
strumienia promieniowania ograniczonego w warstwie
centralnej do całkowitego strumienia promieniowania
generowanego w laserze,
“m - współczynnik wypeÅ‚nienia falowodu,
g(x) - wzmocnienie lokalne,
ąk - straty krawędziowe,
ąi - straty wewnętrzne promieniowania.
58
Ä…i=“mdfc+(1-“m) dwy+Ä…s+Ä…c
gdzie:
dfc -współczynnik absorpcji na swobodnych nośnikach w
obszarze czynnym,
dwy -współczynnik absorpcji (głównie na swobodnych
nośnikach) w obszarach ograniczających,
ąs -współczynnik strat spowodowanych rozpraszaniem
promieniowania na niedoskonałościach sieci krystalicznej
obszaru czynnego i zaburzeniach jego grubości,
ąc -współczynnik strat związany z penetracją promieniowania
poza warstwy ograniczajÄ…ce,
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 Ith 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,
Rsp-szybkość emisji spontanicznej na jednostkę
objętości,
nth -progowa koncentracja nośników
wstrzykiwanych do obszaru czynnego.
59
Ith - prąd progowy; - przyrostowa zewnętrzna sprawność
d
kwantowa, można ją również przedstawić jako:
Wielkość tego parametru można też obliczyć na podstawie
znajomości parametrów konstrukcyjnych lasera złączowego z
zależności:
gdzie:
ąi -straty wewnętrzne promieniowania,
R1, R2-współczynniki odbicia promieniowania od
obydwu zwierciadeł rezonatora,
·i -sprawność kwantowa wewnÄ™trzna.
60
4.2.4.3 Szerokość połówkowa widma emisyjnego
P(½) - funkcja ksztaÅ‚tu (poszerzenia),
P(½)d ½ - definiuje prawdopodobieÅ„stwo, że obserwowana emisja (lub
absorpcja) w wyniku przejść między pasmami
podstawowym i przewodnictwa będzie wynikiem generacji
fotonu o częstotliwości z przedziału częstotliwości
½ ÷ ½ +d ½.
Poszerzenie wywołane jest szeregiem mechanizmów:
" Poszerzenie homogeniczne związane z oddziaływaniem foton -
fonon
gdzie:
AT - wpływ fononów akustycznych (A - stała
proporcjonalności, T - temperatura),
¾op - staÅ‚a,
ÉLO - czÄ™stotliwość fononu optycznego, ÉLO LO.
61
Jeśli temperatura rośnie, to:
o Poszerzenie niehomogeniczne linii widmowej
naprężenia lokalne,
koncentracja domieszki, w tym niekontrolowane
(niechciane) zanieczyszczenia,
klastery stopowe,
szorstkość międzypowierzchni w heterostrukturach
i studniach kwantowych.
Tylko dla domieszek obserwuje się zależność temperaturową. Linie
kształtu można zdefiniować jako:
½0 - odnosi siÄ™ do maksimum linii emisji spontanicznej.
62
4.2.4.4 Widmo promieniowania rezonatora Fabry-Perota
Mody podłużne generowane przez rezonator F-P:
L=ml/2nr i nm=mc/2Lnr
gdzie:
nm - częstotliwość generowanych modów
Różnica częstotliwości między poszczególnymi modami podłużnymi:
dn = c/2Lnr
Różnica długości propagującej się fali:
Jeśli L maleje, to ilość modów też maleje, bo dn rośnie.
63
4.3 Porównanie diodowych z
ródeł światła
Diody laserowe
Właściwości LED 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 sprzęgania1) bardzo mała średnia duża
wielomodowe SI2) wielomodowe GRIN
Pasujące włókno jednomodowe
wielomodowe GRIN3) jednomodowe
Czułość temperaturowa mała duża duża
Złożoność obwodu prosty złożony złożony
Czas życia [h] 105 104-105 104-105
Koszt mały duży największy
linie średniej długości, długie linie, duże bardzo długie linie,
Główne zastosowania średnie szybkości szybkości transmisji bardzo duże szybkości
transmisji danych danych transmisji danych
1)
Sprawność sprzęgania może być poprawiona przez użycie soczewek.
2)
I okno transmisyjne.
3)
II okno transmisyjne.
64