7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В гл. 2 ... 6 рассмотрено оптическое волокно как средство передачи информации, гл. посвящены генерации и детектированию оптических сигналов.

Оптический источник для оптоволоконной системы связи должен иметь высокую энергетическую яркость в узкой полосе частот в диапазоне длнн волн выходное излучение должно легко модулироваться, площадь излучающей поверхности не должна быть больше сердцевины волокна, угловое распределение излучения должно быть по возможности, согласовано с волокном. Обычно от оптических источников добиваются максимальной мощности излучения 1 и светового потока. Важными параметрами являются коэффициент полезного действия, стоимость и надежность прибора и стабильность выходной мощности (медленный дрейф и высокочастотные флуктуации). Полупроводниковые источники, излучающие свет из -перехода в процессе инжекционнон люминесценции, удовлетворяют этим требованиям лучше, чем какие-либо другие.

Широко используются оптические источники двух типов — светоизлучающие диоды и лазерные диоды. Излучение светоизлучающих диодов некогерентно и имеет большую расходимость. Для светоизлучающего диода характерен широкий спектральный диапазон Можно считать, что выходная мощность изменяется пропорционально току через диод, хотя имеется тенденция

к насыщению при высоких уровнях мощности, что обусловлено ростом температуры полупроводника. Частота модуляции ограничивается 100 МГц, коэффициент полезного действия сравнительно невелик.

Работа лазерного диода более сложна. При низких токах накачки механизм излучения остается тем же. что и в светодиодах нтанное излучение), а после превышения порога генерация преобладает над спонтанным излучением. В результате изменяется и характер излучения — оно становится более направленным и когерентным, а в спектре появляется линейчатая структура. Как пороговый ток, так и спектр чувствительны к температуре и поэтому при изменении окружающих условий могут меняться.

На приемном конце системы детектор, используемый для обратного преобразования оптического излучения в электрический сигнал, должен обладать высокой эффективностью. Его инерционность должна соответствовать частоте модуляции, а площадь чувствительной поверхности должна быть согласована с размером сердцевины волокна. Необходимо иметь в виду, что избыточный шум и собственная емкость детектора должны быть минимальны. Этим требованиям удовлетворяют полупроводниковые детекторы.

Имеется два типа полупроводниковых детекторов: -фотодноды и лавинные фотодиоды. И те, и другие преобразуют падающее на них излучение в электрический ток при условии, что длина волны излучения короче некоторой пороговой величины. Выходной ток пропорционален принимаемой мощности. Для работы фотодиодов необходимо электрическое смещение, а лавинные диоды требуют более высоких напряжений 100 ... 300 В) для того, чтобы происходило внутреннее умножение первичного тока. Это процесс сильно зависит от температуры. Лавинные диоды более сложны в изготовлении и использовании, но более чувствительны, что важно при регистрации очень слабых оптических сигналов.

В гл. 8 и 12 подробно описываются наиболее эффективные полупроводниковые источники и детекторы. Как будет видно, наилучшее согласование достигается, если ширина запрещенной зоны детектора немного меньше ширины запрещенной зоны источника. В первых системах оптической связи использовались источники на основе арсенида галлия (GaAs) и детекторы на основе кремния Необходимо отметить, что еще требуются серьезные исследования, чтобы получить идеальный для оптической связи источник излучения. Указанные материалы хорошо работают на длинах волн 0,8...0,9 мкм, но для волокна предпочтительнее более длинные волны. Поэтому требуется исследование других полупроводниковых материалов для использования в качестве источника излучения в детекторе. Уже разработаны германиевые (Ge) детекторы, работающие на длинах волн порядка 1,7 мкм. Имеются совершенно новые полупроводниковые материалы, позволяющие разработать как источники, так и детекторы для длин волн более 1 мкм.

Чтобы определить требования к материалам для полупроводниковых оптических источников и детекторов, придется затронуть теорию полупроводников и полупроводниковых соединений, а также рассмотреть конструкции некоторых типичных приборов. В коице этой главы будут приведены общие свойства оптических источников и детекторов. В гл. 8 будут обсуждены физические механизмы генерации оптического излучения, а в гл. 9 описана структура типичных полупроводниковых диодов, имеющих высокий коэффициент полезного действия в режиме непрерывно работающего при комнатной температуре полупроводникового лазера. Работа полупроводниковых лазеров рассматривается в гл. 10 и 11. Наконец, в гл. 12 и 13 будет рассмотрена работа и лавинных детекторов.