8.6. КОНСТРУКЦИИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Типичная структура светоизлучающего диода показана на рис. 8.9. Она применяется, например, в источниках видимого диапазона на основе GaAsP или GaР, легированных N или ZnO. Другой вариант конструкции диода с небольшой излучающей поверхностью и высокой яркостью показан на рис. 8.10. Эта конструкция, разработанная Баррасом, хорошо приспособлена для систем оптической связи. Из сравнения с обычным светоизлучающим диодом видно, что здесь излучающая поверхность отнесена ближе к подложке. При этом удается свести к минимуму расстояние между активным слоем и излучающей поверхностью. Изолирующий оксидный слой отделяет положительный

Рис. 8.9. (см. скан) Типичная конструкция светоизлучающего диода: а — поперечное сечение; б - вид сверху |Hewelett-Packard Optoelectronics Applications Manual, Me Graw-Hill, 1977, Hewlett-Packard Co.]

контакт от полупроводника но всей площади, кроме светоизлучающей области.

В конструкции Барраса близость активного слоя к поглотителю тепла означает, что тепловое сопротивление мало и можно использовать высокие плотности тока без чрезмерного повышения температуры, которое может привести к трем эффектам: меняется распределение излучения по длинам волн, падает внутренняя квантовая эффективность вследствие возрастания скорости безызлучательной рекомбинации, падает срок службы светоизлучающего диода. На рис. 8.11 показано, как за время одного импульса падает мощность излучения светоизлучающего диода вследствие роста температуры перехода. Уменьшение выходной мощности на 50 % соответствует возрастанию температуры от комнатной до 90 ... 100° С. Вообще в приборах на основе GaAs и GaAlAs температура перехода не должна превышать 50 ... 100° С.

Проведем оценочный расчет роста температуры в диоде Барраса в приближении модели одномерного теплового потока. Для GaAs при комнатной температуре теплопроводность составляет и уменьшается с ростом температуры. Примем расстояние между переходом и поглотителем тепла равным 3 мкм и прямое падение напряжения на переходе V = 1,5 В. Будем считать незначительными потерями мощности, обусловленные излучением, и оценим плотность тока, которая вызывает повышение температуры на 50° С. Для этого воспользуемся соотношением

Рис. 8.10. Поперечное сечение светоизлучающего диода Барраса

Рис. 8.11. Падение выходной мощности оптического излучения вследствие рости температуры за время импульса длительностью 100 нс. [Осцилограммы из статьи R. W. Dawson and С. A. Burrus, Pulse behavior of high-radiance small-area electoluminescent diods, Appl. Optics 10. 2367-9, 1971. Измерения длины волны с временным разрешением показывают, что температура возрастает от 30 °С в начале импульса до 90 °С в конце

что при диаметре контактов 50 мкм соответствует току через диод около 1 А.

Теперь попробуем оценить, какую оптическую мощность можно передать от GaAs светоизлучающего диода Барраса в оптическое волокно через плоский воздушный зазор. Диаметр излучающей области по-прежнему предполагаем равным 50 мкм. Диаметр поверхности, через которую выходит излучение, не намного больше, так как активный слой близок к поверхности и критический угол мал. Если воздушный зазор мал, а диаметр волокна больше диаметра излучающей поверхности, то можно считать, что почти все излучение поступает на вход волокна. Требуется ответить на вопрос: какая доля излучения попадает в приемлемый для волокна угол? Светоизлучающий диод является диффузным (Ламбертовым) источником, а в § 2.1.2 было показано, что волокно с числовой апертурой сможет собрать и передать долю общего света от такого источника.

По аналогии с определениями можно определить квантовую эффективность для системы источник — волокно как отношение числа полезных фотонов, попавших в волокно, к числу носителей, прошедших через переход диода. Тогда

и, если пренебречь самопоглощением в полупроводнике,

Для волокна с источника с [см. формулу (8.5.4)] и с получаем

Оценим попадающую на волокно мощность, когда ток через диод составляет Это примерно соответствует падению напряжения 1,5 В, т. е. потребляемая электрическая мощность составляет Энергия фотона Общая мощность генерируемого в полупроводнике оптического излучения Фвнут Общая оптическая мощность, излученная в воздух, Фвозд Для диффузного источника это соответствует интенсивности и энергетической яркости стерад. Мощность, попадающая на волокно,

Низкая эффективность системы светоизлучающий диод — оптическое волокно может быть улучшена, если удастся уменьшить потери на френелевское отражение. Один из способов осуществления этого показан на рис. 8.12, а. Диод соединен с волокном клеем, имеющим коэффициент преломления па, близкий по величине к коэффициенту преломления материала волокна. Кроме того, поверхность диода просветлена пленкой диэлектрического материала, такого как корунд , окись кремния и Нитрид кремния . В § 2.1.2 проведен анализ, который привел к формуле (2.1.13) и найдено, что доля излучения, переданного в волокно и распространяющегося по

Рис. 8.12. Согласующие устройства источник—волокно: а — использование иммерсионного наполнителя; б - конец волокна заострен и закруглен в форме линзы, которая коллимирует расходящееся излучение; в — сферическая линза, расположенная на поверхности светоизлучающего диода

нему, составляет Используя этот результат, формулу (8.5.2) и положив получаем выражение для полного коэффициента связи:

В нашем числовом примере это дает т. е. получаем улучшение примерно на

В приложении 5 показано, что линзовые устройства, подобные показанным на рис. 8.12, б, в, могут улучшить эффективность связи только в том случае, когда диаметр сердцевины волокна увеличен или излучающая поверхность диода уменьшена. Показанный на рис. 8.12, б сферический конец волокна может быть легко изготовлен плавлением. Радиус кривизны может соответствовать заостренному волокну, как показано, или можно сформировать сферическую поверхность, диаметр которой больше, чем у волокна. Используемый в такой конструкции клей должен иметь низкий коэффициент преломления. Конструкция, показанная на рис. 8.12, в, дает наилучший результат при использовании для урезанной сферической линзы материала с высоким показателем преломления (1,9 или 2,0). В обоих случаях френелевские потери должны быть снижены путем использования просветления,

В любом из этих устройств максимальная мощность, которая может быть передана от диффузного источника в волокно, ограничивается, как показано в Приложении 5, значением

где — площади источника и волокна соответственно. При энергетической яркости источника

Хотя коэффициент связи можно увеличить при использовании диффузного источника меньшего размера и линзового согласующего устройства, полная передаваемая мощность не может быть увеличена до тех пор, пока нет возможности поднять плотность тока инжекции. Если то же самое значение полного тока остается неизменным, в случае источника меньших размеров может быть реализован выигрыш в раз. Однако если остается неизменной плотность тока то преимущества получить не удается. Поэтому приходится при разработке источника малой площади и высокой яркости придавать особое значение диодам с торцевым излучением и инжекционным лазерам, которые рассматриваются в гл. 9... 11 и обеспечивают высокую направленность излучения.