Полупроводниковые источники излучения.

Успехи в области технологии изготовления полупроводниковых источников света связаны с использованием двойных гетероструктур (ДГС). Реализация идеи использования двойной гетероструктуры [2, 3] привела к созданию полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре, и эффективных светодиодов. Число опубликованных работ по физике и технологии этих устройств составляет несколько сотен, причем темпы работ и публикаций отнюдь не снижаются. Важность проблемы вызвала появление отечественных и зарубежных монографий и обзорных работ [45, 50, 72]. Мы намеренно ограничиваем рассмотрение анализом конструкций, характеристик и тенденций развития тех групп полупроводниковых источников света, которые, на наш взгляд, наиболее перспективны для использования в различных световодных системах.

Лазеры на ДГС (рис. 4.1, а) имеют низкие пороговые токи накачки по двум основным причинам.

1. Увеличение ширины запрещенной зоны вверху и внизу активного слоя из узкозонного полупроводника эффективно ограничивает толщину области с неравновесным распределением носителей (области с инверсной населенностью) толщиной этого слоя. В гомолазерах (рис. 4.1,6) толщина активной зоны определяется длиной диффузии неосновных носителей.

2. Активный слой полупроводника с узкой запрещенной зоной имеет более высокий показатель преломления, чем прилегающие к нему слои полупроводников с широкой зоной.

Рис. 4.1. Структура и распределение инверсной населенности Л, показателя преломления и электрической составляющей поля Е лазеров на ДГС (а) и с гомопереходом (б): 1 — подложка с электронной проводимостью ; 2 — широкозонный эмиттерный слой с -проводимостью ; 3 — узкозонный активный слой ; 4 — широкозонный эмиттерный слой с дырочной проводимостью — слой узкозонного полупроводника с оводимостью

Это означает, что двойная гетероструктура представляет собой планарный волновод, световое поле вследствие этого локализовано в активном слое и эффективно усиливается им.

Для снижения до минимума безызлучательной рекомбинации в активном слое необходимо, чтобы параметры кристаллических решеток материалов, образующих гетеропереход, были максимально близки, в противном случае появляются дислокации рассогласования. Именно поэтому в настоящее время широко освоен выпуск лазеров и светодиодов на тройном соединении которого решетка остается практически постоянной при изменении величины х. Ширина запрещенной зоны у этого соединения Ее такова, что длина волны излучения лазера лежит в диапазоне мкм. Рекордно низкие потери в волоконных световодах высокого качества

и минимальная дисперсия на длинах волн вблизи 1,3 мкм и 1,55 мкм стимулировали разработку источников излучения для спектрального диапазона 1—1,6 мкм. В последние годы освоен выпуск лазеров и светодиодов на четверном соединении которые перекрывают диапазон от 0,95 до 1,65 мкм.

Основные тенденции совершенствования конструкции и характеристик источников излучения на двойной гетероструктуре будут рассмотрены на примере соединений с учетом того факта, что большая часть результатов применима и к источникам на четверных соединениях.

Лазеры на ДГС прошли многочисленные стадии оптимизации конструкции и характеристик.

Рис. 4 2. Структура (а) и распределение показателя преломления по площади контакта (б) лазера на ДГС с полосковым контактом: 1 — металлический контакт; 2 —

Наиболее распространенный тип резонатора таких лазеров — это полосковый волноводный аналог открытого оптического резонатора Фабри—Перо (рис. 4.2), зеркалами которого являются параллельно сколотые торцы кристалла. Высокий показатель преломления обеспечивает достаточный коэффициент отражения По оси х (рис. 4.2), т. е. в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры, скачок показателя преломления в узкозонном активном слое приводит к тому, что структура представляет собой, как отмечалось выше, планарный волновод и световое поле практически локализуется в активном слое. Толщина активного слоя его показатель преломления и скачок показателя преломления определяют число направляемых мод этого волновода. Обычно в при мкм условия распространения выполняются только для основной моды. Уже первые разработки ясно показали, что существует необходимость создания условий для распространения волн и в плоскости самого активного слоя на рис. 4.2). В гетеролазерах в настоящее время обязательно тем или иным способом создается не планарный, а полосковый световод. Соответственно и инверсная населенность создается не по всей ширине слоя узкозонного полупроводника, а концентрируется в области полоскового световода.

Лазеры с полосковым световодом обладают рядом значительных достоинств с точки зрения использования в световодных системах: 1) излучающая площадка в таких лазерах мала, что улучшает условия ввода их излучения в одномодовые световоды; 2) малые размеры области с инжекцией носителей существенно снижают пороговый ток накачки, по этой же причине легче избежать возникновения дефектов в активной области, что существенно для характеристик лазера.

Лазеры можно подразделить на две группы, в зависимости от способа формирования полоскового световода в планарной гетероструктуре: он может быть образован профилем усиления или профилем показателя преломления.

Входящие в каждую из групп лазеры имеют много общего в процессах генерации и, как следствие, в характеристиках излучения. Поэтому вначале рассмотрим наиболее типичные для обеих групп конструкции, а затем проанализируем принцип их действия.

К числу структур со световодом, образованным профилем усиления, относится лазер с полосковым контактом (рис. 4 2). Контакт на верхнем слое ограничен изолирующим слоем в котором вытравлена полоска шириной мкм. Из-за расплывания тока усиливающий слой несколько шире, чем Главный механизм образования полоскового световода состоит в том, что, как показано в ряде работ [46, 245], наличие градиентного распределения усиления (т. е. мнимой части комплексного показателя преломления) в среде приводит к локализации светового поля в области с большим усилением. Этому основному механизму способствует слабое увеличение показателя преломления в активной области из-за нагрева и противодействует уменьшение показателя преломления, связанное с ею зависимостью от концентрации инжектированных носителей. Естественно, что соотношение между этими тремя факторами зависит от тока накачки и вызывает изменение параметров полоскового световода и полоскового резонатора лазера. Это приводит к сильной зависимости всех характеристик лазера с полосковым контактом от уровня накачки.

Другой типичной конструкцией со световодом, сформированным усилением, является лазер с боковым ограничением тока высокоомными областями. Примером может служить лазер с протонной изоляцией (рис. 4.3, а). Предварительно защищенная в области контакта гетероструктура бомбардируется протонами с высокой энергией. Облучение полупроводника частицами высокой энергии (в данном случае — протонами) приводит к созданию дефектов кристаллической решетки и уменьшению проводимости. В результате ток инжекции ограничивается с двух сторон высокоомными областями. Ограничение это более жесткое, чем у лазера с полосковым контактом, однако параметры полоскового резонатора и соответственно излучения продолжают изменяться с ростом накачки, хотя и в меньшей мере.

Гораздо более стабильные полосковые резонаторы лазеров формируются профилем показателя преломления. В конструкции лазера со скрытой гетероструктурой (рис. 4.3, б) осуществляется жесткая локализация светового поля и области с инжекцией неосновных носителей. В результате химического травления двойной гетероструктуры и последующего заращивания вытравленной области формируется узкозонный слой ограниченный с четырех сторон гетеропереходами. В результате получается прямоугольный световод со ступенчатым профилем показателя преломления.

Рис. 4.3. Лазеры на ДГС: а — с протонной изоляцией; б - со скрытой гетероструктурой; в — с поперечным -переходом; — с каналом в подложке: — высокоомные области, — область с диффузией цинка; 9 — канал в подложке

Размер его по оси у выбирают из условия существования только основной поперечной моды, обычно мкм. Такой лазер генерирует в одночастотном режиме 1 при непрерывной накачке. Лазер имеет малую излучающую площадку сечением диаграмму направленности с круговой симметрией и рекордно низкий пороговый ток ( мА при мкм). Модификация этой конструкции — двухканальный лазер со скрытой гетероструктурой на четверном соединении — имеет очень высокую выходную мощность — в непрерывном режиме на длине волны 1,3 мкм [280].

Лазер с поперечным — -переходом изготавливается по более простой технологии, однако имеет хорошие характеристики излучения. В часть гетероструктуры (рис. 4.3, в) методом диффузии вводится цинк, и центральный узкозонный слой

разделяется на две половины — с электронной и дырочной проводимостями. Ток инжекции протекает таким образом, что электроны и дырки инжектируются вдоль оси у, область с инверсной населенностью вдоль этой оси ограничивается длиной диффузии инжектируемых носителей, а по оси гетеропереходами. Вдоль оси у образуется градиентный профиль показателя преломления, обусловленный диффузией цинка с максимумом в области -перехода. Градиентный по оси у, но ступенчатый по оси х световод, сформированный таким образом, является одномодовым. Лазер работает в одночастотном режиме до уровней накачки, в два раза превышающих пороговый.

В лазере с каналом в подложке световод формируется профилем подложки (рис. 4.3, г). Гетероструктура выращивается на подложке, в которой предварительно вытравливается канал. В такой конструкции осуществляется эффективная селекция поперечных мод. Поле мод высших порядков проникает в подложку дальше, чем поле основной моды, поглощение в подложке достаточно велико, так как она выполнена из с узкой запрещенной зоной. Лазер с каналом в подложке также работает на одной частоте в непрерывном режиме в достаточно большом интервале токов накачки.

Как уже говорилось, почти все характеристики лазеров определяются стабильностью волноводных свойств полоскового резонатора, поэтому лазеры второй группы имеют, как правило, лучшие параметры излучения.

Спектр излучения лазеров на ДГС, как и всех лазеров, определяется спектром мод резонатора и взаимодействием полей этих мод в активной среде. В полупроводниковых лазерах ширина линии ненасыщенного усиления обычно по крайней мере на порядок превышает интервал между соседними продольными модами (для типичных конструкций с длиной резонатора 200—400 мкм интервал между соседними продольными модами составляет нм для мкм). В подобных случаях наиболее распространенным для лазеров с другими активными средами является режим генерации на многих продольных модах (многочастотный режим), обусловленный, как правило, одним из двух факторов (часто их сочетанием): спектральной или пространственной неоднородностью усиления (см., например, работы [49, 86]). Спектральная неоднородность усиления (неоднородное уширение линии усиления) обусловлена тем, что резонансные частоты переходов возбужденных частиц распределены в некотором спектральном интервале и суммарная линия усиления есть суперпозиция многих однородно уширенных линий отдельных частиц. В этом случае насыщение усиления на частоте одной из продольных мод резонатора в процессе генерации приводит к уменьшению усиления только вблизи этой частоты. В линии усиления «выжигается» спектральная «дыра» с шириной, примерно равной ширине однородно уширенной компоненты. При этом нет препятствий для

генерации других продольных мод, частоты которых лежат вне «выжженной дыры».

Если линия усиления уширена однородно (резонансные частоты переходов всех возбужденных частиц совпадают), генерация, возникающая на частоте продольной моды, ближе других расположенной к максимуму линии усиления, приводит в результате насыщения к уменьшению усиления на всех частотах, так что в стационарном режиме должна генерироваться только одна мода. Однако в резонаторе Фабри—Перо распределение поля есть стоячая волна, в пучностях этой волны инверсная населенность убывает в результате генерации, тогда как в узлах, где поле равно нулю, инверсная населенность остается практически неизменной. Таким образом, происходит пространственное «выжигание дыр» в распределении усиления в активном теле и создаются условия для генерации другой продольной моды.

В лазерах на ДГС особенности активной среды и конструкции резонатора приводят к специфическим процессам в развитии спектра мод с ростом уровня накачки.

Рис. 4.4. Спектры излучения лазера на ДГС со скрытой гетероструктурой: а — у порога генерации; б — при превышении порогового уровня накачки в 1,3 раза

Высокий коэффициент усиления и наличие волновода делают пороговое условие генерации асимптотическим [72], вблизи порога генерации из широкой линии спонтанного излучения начинают формироваться отдельные линии, соответствующие модам с высокой добротностью. При токах накачки, близких к пороговому значению, спектр всех лазеров на гетероструктурах достаточно широкий и включает большое число продольных мод (рис. 4.4, а). На наш взгляд, опубликованный в работе [72] экспериментальный материал свидетельствует о том, что осевая и поперечная диффузии неравновесных носителей в активном слое достаточно эффективно сглаживают выжигание пространственных дыр в распределении инверсной населенности в пучностях стоячей световой волны. В этом случае эволюция спектра излучения в лазерах второй группы, стабильно генерирующих излучение на основной поперечной моде, хорошо соответствует модели, развитой в работе [72].

Линию усиления полупроводникового лазера можно считать однородно уширенной, пока скорость стимулированной рекомбинации носителей не станет сравнимой со скоростью внутризонной

релаксации, что соответствует квазиравиовесному распределению. Другими словами, до достижения определенных уровней излучаемой мощности лазера в результате внутризонной релаксации заполняются выжигаемые этим полем спектральные дыры в линии усиления. При высокой плотности поля излучения скорость выжигания дыр становится сравнимой со скоростью их заполнения, усиление насыщается только на определенном спектральном участке линии, на соседних участках могут выполняться условия генерации других продольных мод — спектральная линия усиления начинает вести себя как неоднородно уширенная. Эксперимент показывает [14, 334], что большинство лазеров второй группы соответствует этой модели. В непрерывном режиме генерация излучения на многих продольных модах при увеличении накачки до порогового значения сменяется генерацией на одной продольной моде (рис. 4.4, б), что обусловлено однородным характером спектрального уширения линии усиления. У большинства лазеров второй группы — на скрытой гетероструктуре, с поперечным переходом, с каналом в подложке — одночастотный режим стабилен до тех пор, пока уровень накачки не превышает более чем вдвое порогового значения, уровень выходной мощности при этом достигает 10 мВт. Однако с дальнейшим ростом уровня накачки обычно наблюдается переход к многомодовой генерации, обусловленный скорее всего выжиганием спектральной дыры в усилении.

Лазеры первой группы, у которых наблюдаются переходы генерации с одной поперечной моды на другую (или другие), генерируют, как правило, несколько продольных мод, так как продольным модам с различными поперечными индексами соответствуют разные пороговые значения.

Таким образом, лазеры второй группы работают в одночастотном режиме в довольно широком диапазоне накачек. Однако это реализуется только в непрерывном режиме генерации. Импульсная модуляция существенно меняет спектральные характеристики лазеров, о чем речь пойдет ниже.

Ширнна линии излучения рассмотренных выше лазеров с резонатором Фабри—Перо, работающих в одночастотном режиме, измеренная в течение короткого (порядка единиц секунд) времени при комнатной температуре, может быть достаточно узкой — десятки мегагерц. Однако сильная зависимость ширины запрещенной зоны от температуры приводит к тому, что длина волны, соответствующая максимуму усиления, сдвигается с изменением температуры на Таким образом, изменение температуры может привести к переходу от генерации одной продольной моды на генерацию другой, кроме того, изменение коэффициента преломления полупроводника приводит к изменению собственной частоты моды с крутизной порядка Таким образом, если не принимать специальных мер по стабилизации частоты, лазеры с волноводным резонатором Фабри—Перо мало

пригодны для систем с когерентным приемом или многоканальных систем со спектральным уплотнением. Немаловажным фактором, затрудняющим использование таких устройств и в фазовых волоконных датчиках, является сильное влияние обратного рассеяния на спектральные характеристики лазеров с резонатором Фабри—Перо. Обратное рассеяние (отражение) света в резонатор лазера неизбежно возникает при соединении его со световодом. Обратное рассеяние с эффективным коэффициентом отражения по модулю около приводит к генерации на многих продольных модах [272], при снижении уровня рассеяния в силу случайности фазы рассеяния происходит уширение линии генерации в одночастотном режиме. Так, обратное рассеяние порядка приводит к тому, что для обеспечения минимальной регистрируемой разности фаз 10-в рад в фазовом датчике разность хода в плечах интерферометра не должна превышать 1 мм. Эти данные получены при использовании трех различных лазеров [272]: с каналом в подложке, со скрытой гетероструктурой и поперечным переходом.

Пространственные характеристики излучения лазеров определяются поперечным распределением поля в резонаторе и размерами излучающей площадки. Естественно, что более стабильная диаграмма направленности реализуется у лазеров второй группы, устойчиво генерирующих на основной поперечной моде. У большинства конструкций толщина активного слоя в несколько раз меньше его ширины мкм, мкм), поэтому ширина диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной к -переходу, равна 30—60°, в плоскости, параллельной ему, — 5—10°. Исключение составляет лазер со скрытой гетеро- структурой с почти квадратной излучающей площадкой и диаграммой направленности с круговой симметрией. Малое сечение излучающей площадки обеспечивает более эффективное согласование с одномодовыми волокнами.

Ватт-амперная характеристика (зависимость мощности излучения от тока накачки) в непрерывном режиме, как правило, у всех лазеров первой группы имеет характерные изгибы — «кинки» (кривая 4 на рис. 4.5). Чем уже полосковый контакт, тем больше пороговые значения, при которых появляются эти изгибы. Связано это с тем, что при увеличении тока накачки в лазерах со световодом, образованным усилением, в генерацию вовлекаются поперечные моды высшего порядка, число генерируемых продольных и поперечных мод изменяется. При ширине контакта мкм генерация может происходить в нескольких пространственных каналах, каждому из которых соответствует свой спектр мод (нитевидная или филаментная генерация). В лазерах второй группы параметры световода и резонатора на его основе существенно меньше зависят от усиления, генерация происходит на основной поперечной моде, ватт-амперные характеристики выше порогового значения тока линейны (кривые на рис. 4.5).

Необходимо отметить, что пороговый ток накачки растет с увеличением температуры. Это явление, обусловленное температурной зависимостью коэффициента усиления, описывается формулой, полученной экспериментально,

где обычно лежит в интервале 120—165 К; численное значение определяется конструкцией лазера.

Прямая модуляция интенсивности излучения полупроводниковых лазеров током накачки, в отличие от твердотельных лазеров на активированных кристаллах и стеклах, может производиться с высокой скоростью (достаточно просто реализуется импульснокодовая модуляция со скоростью 400 Мбит/с и модуляция аналоговым сигналом в полосе порядка 109 Гц). Это значительное достоинство определяется малым спонтанным временем жизни электронов с и соответственно возможностью быстрого «включения» инверсной населенности.

Рис. 4.5. Ватт-амперные характеристики лазеров на ДГС: 1 - со скрытой гетероструктурой; 2 — с поперечным -переходом; 3 — с каналом в подложке; 4 — с полосковым контактом

Переходная характеристика (рис. 4.6, а) лазера на ДГС отражает процесс установления стационарного режима. При возбуждении лазера скачком тока от 0 до величины наблюдается задержка начала генерации на время та, необходимое для возрастания плотности неравновесных носителей до порогового уровня,

Естественно, что может быть уменьшено, если через лазер протекает постоянный ток смещения

Быстрое включение инверсной населенности приводит к появлению затухающих колебаний интенсивности излучения и (со сдвигом по фазе), инверсной населенности около их стационарных значений. Частота этих релаксационных колебаний в идеальном одночастотном лазере описывается приближенной формулой

где с — время жизни фотона в резонаторе, определяемое потерями в нем. Релаксационным колебаниям в переходной

характеристике лазера соответствует резоиаис вблизи на частотной характеристике (рис. 4.6, б).

Таким образом, можно считать, что при импульсной модуляции током накачкн с длительностью импульса и при аналоговой модуляции с частотами в спектре сигнала в каждый момент времени интенсивность принимает стационарное значение в соответствии со статической ватт-амперной характеристикой лазера. При существенное влияние начинают оказывать переходные процессы.

Рис. 4 6. Переходная (а) и частотная (б) характеристики лазера на ДГС

Важным является факт, что в лазерах второй группы, стабильно генерирующих на основной поперечной моде, релаксационные колебания в переходной характеристике значительно сглажены [322]. Объясняется это следующим образом. Релаксационные колебания вызваны тем, что в переходном процессе число фотонов в резонаторе возрастает до уровня, который не можег поддерживаться стационарно инжектируемыми носителями. В результате инверсная населенность быстро «выжигается» вдоль оси резонатора, где поле основной моды максимально. В лазерах второй группы по краям волновода образуются «резервуары» носителей, их диффузия к оси поддерживает уровень инверсной населенности и сглаживает релаксационные колебания. Приведенная выше формула для соответствует как раз этим конструкциям, в которых, как показывает эксперимент [15],

В лазерах первой группы в переходном процессе возбуждаются поперечные моды высших порядков, что усугубляет релаксационные колебания. Интегральный за время импульса спектр излучения всех лазеров с полосковым резонатором Фабри — Перо при импульсной модуляции, как правило, состоит из многих продольных мод. Миогочастотная генерация обусловлена быстрыми изменениями усиления. Этот факт безусловно ограничивает использование описанных выше конструкций в высокоскоростных системах передачи на большие расстояния, где длина

ретрансляционного участка определяется дисперсией в одномодовых волоконных световодах.

В лазерах на ДГС с селекцией продольных мод проблема получения одночастотною режима решается радикально как при непрерывной, так и при импульсной накачке. В этих лазерах в пределах линий усиления находится лишь одна собственная частота резонатора. Конструкций, обеспечивающих эффективную селекцию продольных мод, достаточно много, мы рассмотрим те из них, которые реально могут быть использованы в волоконно-оптических системах в ближайшее время.

Рис. 4.7. Конструкции лазеров с селекцией продольных мод а — с распределенной обратной связью; б — с распределенным брэгговским отражателем и в — с брэгговским зеркалом на основе диэлектрического волновода [35]:

В лазерах с распределенной обратной связью положительная обратная связь обеспечивается брэгговским рассеянием от периодической структуры, создаваемой вдоль оси полоскового световода. Резонансные условия выполняются для длины волны, отвечающей условию Брэгга

где — эффективный показатель преломления моды световода; — период структуры; — порядок дифракции, целое число (обычно равно 1, 2 или 3).

Одна из возможных конструкций лазера с РОС и каналом в подложке показана на рис. 4.7, а. Как видно, здесь осуществляется жесткая селекция и по поперечным индексам, так как возбуждение поперечных мод высших порядков с другими значениями приводит к многочастотному режиму. В лазерах с РОС получена непрерывная и импульсная генерация на одной частоте [4, 5], созданы линейки лазеров с различными длинами волн, интегрированные на одном кристалле [92]. Температурная

стабильность длины волны излучения лазеров с РОС составляет около определяется эта нестабильность изменениями показателя преломления.

В лазерах с распределенным брэгговским отражателем брэгговские зеркала сформированы на пассивных участках световода (рис. 4.7, б). Это несколько упрощает технологию изготовления (не нужно прерывать процесс изготовления гетероструктуры для изготовления решетки, исключается сложная операция заращивания гофрированной поверхности), уменьшает температурную нестабильность длины волны излучения (отсутствуют изменения показателя преломления, вызванные инжекцией носителей).

Рис. 4.8. Структура -лазера (а) и зависимость длины волны излучения -лазера от тока инжекцнн

Однако температурная нестабильность Я достаточно велика связано это с тем, что зависимость показателя преломления полупроводника от температуры достаточно сильна, так как ширина запрещенных зон в области усиления и в области распределенного отражения примерно одинакова и аномальная дисперсия в отражателе значительна.

Высокой температурой стабильности длины волны излучения в лазере с можно добиться, используя в качестве брэгговского зеркала планарный волновод из диэлектрика с широкой запрещенной зоной и слабой температурной зависимостью эффективного показателя преломления [35]. На рис. 4.7, в изображена структура лазера с на основе волновода из с температурной нестабильностью длины волны излучения Широкими функциональными возможностями и простотой конструкции отличается одна из последних разработок — -лазер. Предложенная достаточно давно в работе [47] эта схема селекции продольных мод реализована в последние годы в ДГС на тройных и четверных соединениях [162, 299], -лазер представляет собой систему из двух оптически связанных ДГС лазеров с резонаторами Фабри — Перо (рис. 4.8, а), причем один

из лазеров выполняет роль управляемого оптического резонатора внешнего по отношению ко второму. Оптическая связь осуществляется либо прецизионной стыковкой лазеров, либо (что, по-видимому, эффективней) составной резонатор изготовляется методом локального травления кристалла со сколотыми гранями. Использование селективного многозеркального резонатора позволяет осуществить режим одночастотной генерации для любых значений с управлением частотой током инжекции Перестройка частоты генерации объясняется зависимостью показателя преломления в активном слое от концентрации неравновесных носителей. На рис. 4.8, б приведена зависимость длины волны излучения -лазера на ДГС от тока инжекции для Ясно, что в -лазерах легко могут осуществляться частотная модуляция с высокими скоростями [32] и электронная стабилизация частоты излучения.

Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) в силу физических процессов, происходящих в них, существенно уступают по параметрам излучения полупроводниковым лазерам. Возникающее в результате спонтанной рекомбинации излучение светодиодов является некбгерентным, спектр его существенно шире, чем у лазеров. Спонтанное время жизни носителей значительно больше, чем индуцированное, поэтому СИД является менее быстродействующим прибором. Однако относительная простота технологии изготовления, низкая стоимость и более длительный срок службы вследствие менее напряженного режима работы делают целесообразным применение СИД в системах, где широкая линия излучения не является существенным недостатком, — в локальных сетях и амплитудных ВОД.

По конструктивному признаку можно выделить два типа СИД: поверхностные — с выводом излучения в направлении, перпендикулярном к плоскости -перехода, и торцовые, излучающие в направлении, параллельном этой плоскости.

В поверхностных СИД спонтанное излучение в активном слое происходит равновероятно во всех направлениях, преобразование энергии накачки в свет происходит с высоким внутренним квантовым выходом, близким к Однако полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник — воздух с малым критическим углом — показатель преломления полупроводника, для для приводит к тому, что большая часть света остается в кристалле и внешняя квантовая эффективность составляет в лучшем случае несколько процентов. Излучение с поверхности происходит с диаграммой направленности ламбертовского типа, что (см. п. 4.6) дополнительно усложняет проблему ввода излучения поверхностного СИД в волоконный световод.

Наиболее рациональной является конструкция поверхностного СИД, предложенная Баррасом и Доусоном [114] (рис. 4.9). Здесь волокно непосредственно стыкуется с излучающей площадкой,

диаметр которой близок к диаметру сердцевины волокна. Эпоксидная смола с играет роль иммерсионной среды. Необходимо помнить, что ни одна оптическая система не может повысить эффективность ввода излучения поверхностного СИД в волоконный световод при условии, что его излучающая площадка всегда несколько больше сердцевины световода. Уменьшение излучающей площадки при сохранении мощности излучения на том же уровне приводит к возрастанию плотности тока накачки, что сокращает срок службы прибора. Вместе с тем известны (см., например, работу [86]) конструкции поверхностных СИД с малой площадкой и согласующими линзовыми системами.

Рис. 4.9. Поверхностные СИД: а — на — на гомопереходе: 1 — волоконный световод; 2 — контакт; 3 — подложка ; 4 — широкозонный слой ; 5 — узкозонный слой ; 6 — широкозонный слой ; 7 — диэлектрик (); 8 — контакт и радиатор; 9 — активная

Поверхностный СИД конструкции Барраса изготавливается как на основе ДГС (рис. 4.9, а), так и на основе структур с диффузионными -гомопереходами (рис. 4.9, б). В первом случае свет выводится через полупроводник с широкой запрещенной зоной, что снижает внутренние потери на поглощение. СИД на гомопереходах имеют низкую стоимость и высокую надежность вследствие простоты технологии их изготовления.

Спектр излучения поверхностных СИД соответствует спектру спонтанного излучения, ширина его по уровню половинной мощности равна 30—50 нм и не зависит от тока накачки.

Центральная длина волны излучения как и в лазерах, определяется шириной запрещенной зоны, т. е. свойствами материала.

Ватт-амперная характеристика поверхностных СИД линейна (рис. 4.10) вплоть до значений тока накачки при которых нагрев активного -перехода снижает выходную мощность. Мощность, излучаемая СИД при составляет мощность, вводимая при этом в волоконный многомодовый световод, — 50—500 мкВт.

Высокая степень линейности ватт-амперной характеристики делает поверхностный СИД одним из основных источников для аналоговых систем передачи.

Ширина полосы частот модуляции поверхностных СИД определяется в общем случае временем жизни носителей . Переменная

составляющая мощности излучения и мощность излучения в отсутствие модуляции связаны соотношением

Это означает, что верхняя граничная частота модуляции по уровню . Величина зависит от тока инжекции, концентрации электронов и дырок, толщины перехода и скорости рекомбинации. Для выпускаемых промышленностью поверхностных СИД типовое значение не превышает 100 МГц.

Прогресс в развитии торцовых СИД связан с появлением в последние годы конструкций, в которых осуществляется усиление спонтанного излучения без обратной связи, — суперлюминесцентных СИД. Суперлюминесцентные СИД по параметрам излучения занимают промежуточное положение между лазерами и поверхностными СИД со спонтанным излучением.

Рис. 4.10. Ватт-амперные характеристики поверхностных СИД на

Конструкция суперлюминесцентных СИД (рис. 4.2) представляет собой двойную гетероструктуру с полосковым контактом, который с одной только стороны доходит до торца кристалла. Таким образом, основное отличие от лазера с полосковым контактом состоит в отсутствии резонатора Фабри — Перо, т. е. в отсутствии положительной обратной связи.

Кроме того, длина усиливающей области обычно больше, чем влазере, она достигает 1,5 мм. Спонтанное излучение происходит равновероятно во все стороны, однако часть его удерживается и направляется планарным световодом и усиливается за счет вынужденного излучения. В процессе распространения с усилением происходит сужение спектра излучения, так как спектральные компоненты, расположенные у максимума линии спонтанного излучения, усиливаются сильнее. Спектр излучения суперлюминесцентных СИД сплошной, как и у поверхностных, однако значительно уже — 3—5 нм. Диаграмма направленности более узкая, чем у поверхностных СИД, и несимметричная, как у лазеров, с угловыми размерами около 120 X 40°. Эффективность ввода излучения суперлюминесцентных СИД в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных. Мощность излучения лежит в пределах мощность, вводимая в многомодовый световод, — мВт.

В заключение приведем табл. 4.2, иллюстрирующую параметры полупроводниковых источников света.

Таблица 4.2. (см. скан) Технические характеристики полупроводниковых источников света

Проведенный анализ показывает, что полупроводниковые источники излучения отвечают большинству требований, предъявляемых к таким приборам в световодных системах связи и световодных измерительных системах. Светоизлучающие диоды являются наиболее подходящими источниками для амплитудных ВОД и низкоскоростных систем передачи информации с использованием многомодовых волоконных световодов. Примерные представления о границе перехода от использования СИД к использованию лазеров в системах на многомодовых волокнах дают графики зависимостей длины ретрансляционного участка от скорости передачи информации при использовании этих излучателей [340], приведенные на рис. 4.11.

На наш взгляд, особенно важными являются проблемы создания одночастотных высокостабильных лазеров на ДГС для систем, находящихся в стадии разработок, с когерентным приемом и многоканальных со спектральным уплотнением. В настоящее время, по-видимому, наиболее перспективен относительно простой по технологии, обладающий широкими функциональными возможностями -лазер. Существуют проблемы технологического освоения одночастотных лазеров на ДГС с модуляцией интенсивности для сверхдальних высокочастотных систем связи на одномодовых

волоконных световодах, в частности, лазеров с селекцией продольных мод.