Полупроводниковые светодиоды для волоконно-оптических линий связи и датчиков

Помимо полупроводниковых лазеров в волоконно-оптических линиях и измерительных системах широкое применение находят и светодиоды.

Среди светодиодов различают светодиоды для индикации, светодиоды высокой мощности (осветительные светодиоды) и светодиоды для волоконных линий передачи. В данном разделе будут рассмотрены светодиоды для ВОЛС и датчиков. По сравнению с полупроводниковыми лазерами светодиоды имеют более широкий спектр излучения, узкую полосу модуляции и у них более низкая эффективность ввода излучения в волокно (эффективность связи с оптическим волокном). Однако, не являясь «пороговым прибором» они имеют ряд преимуществ по сравнению с полупроводниковыми лазерами, а именно, высокую надежность (большой срок службы), простоту изготовления, низкую стоимость. Поэтому они находят широкое применение в качестве источников излучения в системах передачи и связи на небольшие расстояния с шириной полосы передачи до нескольких десятков мегагерц (например, в ВОЛС для связи в пределах здания корабля, самолета, поезда и т.д.), а также в волоконно-оптических датчиках Технология изготовления светодиодов аналогична технологии изготовления полупроводниковых лазеров. Современные светодиоды изготавливаются на основе двойных гетероструктур (гетеропереходов), однако в ряде случаев с целью упрощения и удешевления систем для изготовления светодиодов применяются и гомопереходы.

Светодиоды по способу вывода излучения подразделяются на 2 типа: светодиоды с поверхностным выводом излучения и светодиоды с торцевым выводом излучения. На рис.5.14 приведены структуры и схемы этих светодиодов на основе двойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs.

При подаче напряжения на структуры а) и б) происходит инжекция электронов через p-n переход из слоя n AlGaAs и накопления их в р-слое GaAs. Здесь электроны рекомбинируют с дырками и переходят в валентную зону, генерируя

n- GaAs

Рис. 5.14. Структуры светодиодов с поверхностным выводом излучения а)

и торцевым выводом излучения б)

спонтанное излучение. Слой GaAs, излучающий свет называется активным слоем, а оба боковых слоя AlGaAs называются ограничивающими слоями. Излучаемый в активной области свет, в связи с тем, что энергия запрещенной зоны в обоих слоях AlGaAs больше энергии активного слоя, не поглощается электронами валентной зоны этих слоев (т.е. излучение не теряется на возбуждение этих электронов и перехода их в зону проводимости), а проходит через эти зоны, излучаясь наружу.

Как показано на рис.5.14а, существуют светодиоды с поверхностным выводом излучения, которые излучают свет перпендикулярно поверхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD - Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые излучают свет параллельно поверхности перехода. Последние, по сравнению с первыми, обладают большой мощностью излучения и используются в качестве источников света для датчиков, в которых не требуется высокая когерентность света. Кроме того, они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая когерентность может оказаться помехой вследствие, например, шумов индуцированных обратным лучом полупроводникового лазера.

Одной из основных характеристик AlGaAs светодиода является мощность излучаемого света (обычно от нескольких мВт до 100 мВт при инжекционном токе 100…200 мА, которая примерно пропорциональна току). Длина волны спектра, спектр излучения AlGaAs светодиодов располагается в пределах 730…900 нм, а ширина спектра 30…60 нм. Диаграмма направленности излучения светодиода с поверхностным выводом (рис. 5.14а) лежит в пределах углов 120⁰…180⁰. Следовательно, эффективность ввода излучения от таких светодиодов в волокно будет заведомо низкой. Диаграмма направленности излучения светодиодов с торцевым выводом может быть существенно уже и эффективность ввода излучения в волокне выше.

Для уменьшения потерь излучения светодиодов с поверхностным выводом излучения (рис. 5.15) при согласовании с оптическим волокном в подложке из GaAs вытравлено углубление, в которое вставляется оптическое волокно и фиксируется с помощью эпоксидного слоя. Конструкции светодиодов, смонтированных на теплоотводах, приведены на рис. 5.15а,б

В светодиодах с поверхностным выводом излучения (рис. 5.15а) свет излучается в направлении перпендикулярном p-n переходу через подложку

n-GaAs и непосредственно поступает в оптическое волокно, вклеенное в углубление, вытравленное в подложке. Такая конструкция светодиода называется светодиодом Барраса.

В светодиодах с торцевым выводом излучения (рис.5.15б) вывод излучения осуществляется с торца структуры в направлении плоскости p-n перехода, также как и в полупроводниковых лазерах. Так как площадь излучения (размеры активной области в направлении излучения) может быть много

Рис. 5.15. Конструкция светодиодов с поверхностным (а) и торцевым выводом излучения (б): 1 –эпоксидная смола; 2 – оптический контакт; 3 – направление излучения из активной области; 4 – оптическое волокно; 5 – подложка n-GaAs; 6 – активный слой; 7 – теплоотвод; 8 – нижний омический контакт (Ø50 мм); 9 – нижний омический контакт (ширина 65 мкм); 10 – подложка.

меньше размеров световедущей жилы волокна, то в таких светодиодах для увеличения эффективности возбуждения (увеличения вводимой в волокно мощности излучения источника) применяются согласующие элементы различного вида линзы и коллиматоры. В ряде случаев такие элементы применяются и для согласования светодиодов с поверхностным выводом излучения с оптическим волокном.

Помимо интегральной мощности излучения для характеристики светодиодов часто используется энергетическая яркость W, которая есть величина мощности источника света, излучаемая с единичной площади активной области в угле равном 1 стерадиану. Размерность энергетической яркости W- [вт/стер∙см²].

Эффективность ввода излучения светодиода в оптическое волокно

Рассмотрим случай согласования полупроводникового светодиода с поверхностным выводом излучения в многомодовое оптическое волокно. Эффективность ввода излучения в волокно (или эффективность согласования) η определяется как отношение мощности излучения введенной в оптическое волокно Р_в к полной мощности света излучаемой источником Р_ист.

Светодиод с поверхностным выводом излучения можно рассматривать как диффузионный изотропный источник излучения, излучающий свет во всех направлениях равномерно (ламбертовский излучатель или излучатель с ламбертовой диаграммой направленности). Схема излучения такого источника показана на рис. 5.16.

Распределение излучения в пространство от такого источника дается законом Ламберта
I(Ө)=I₀CosӨ. Для того, чтобы рассчитать эффективность η ввода излучения такого источника в оптическое волокно необходимо вычислить полную мощность Р_ист излучаемую источником и мощность Р_в, которая непосредственно попадает в волокно и распространяется в нем. Рассмотрим случай непосредственной стыковки светодиода с волокном, когда не применяется никакая согласующая оптика (рис. 5.17).

Полная мощность излучения источника (рис. 5.16), излучаемая в полусферу равна:

где А – площадь источника излучения (активная область); I₀ - интенсивность света (мощность) в направлении, перпендикулярном поверхности источника излучения.

Рис. 5.17.

Величина мощности, введенной в оптическое волокно (рис. 17) будет равна:

при малых Ө_NA Sin Ө_NA≈ Ө_NA, где Ө_NA - угол на входе оптического волокна, в пределах которого лучи, попадающие в волокно распространяются в сетоведущей жиле не выходя в оболочку. При малых значениях углов Ө_NA, что имеет место на практике Ө_NA≈(NA)² числовая апертура волокна.

Из этих выражений следует, что

Из анализа последнего выражения видно, что в случае согласования с волокном светодиода с ламбертовой диаграммой направленности и размерами светоизлучающей области светодиода равной или большей размеров световедущей жилы волокна максимальная эффективность достигается при непосредственной стыковке волокна со светодиодом (рис. 5.17). Если же размеры активной области источника меньше размеров световедущей жилы волокна, то возможно применение коллимированной оптики – согласующих линз и объективов для повышения эффективности η.

У светодиодов с торцевым выводом излучения – суперлюминесцентных диодов (как и полупроводниковых лазеров) размеры активной (излучающей) области, как правило, меньше размеров световедущей жилы волоконного световода. В этом случае возможно существенное увеличение эффективности ввода излучения в волокно, которое может достигать до 90% в зависимости от типа источника излучения и волокна. Для сравнения: максимальная эффективность ввода излучения светодиода с поверхностным выводом излучения светодиода (ламбертовая диаграмма направленности) составляет не более 3%.

Лекция 6.

Фотоприемные устройства для волоконно-оптических линий связи.

1. Фотодетектирвания.

Фотодетектирование – это процесс преобразования оптических сигналов в электрические, пригодные для дальнейшей регистрации и обработки стандартными методами и устройствами. Существует 2 метода фотодетектирования: прямое и гетеродинное.

1) Прямое фотодетектирование. При прямом фотодетектировании световой сигнал с помощью фотодетектора непосредственно преобразуется в электрический, который затем усиливается, обрабатывается и регистрируется.

Схема прямого фотодетектирования показана на рис.6.1. При таком способе фотодетектирования сигнал U_С на выходе фотодетектора прямо пропорционален световой мощности P: U_С~P_С.

В большинстве существующих ВОЛС и датчиков в настоящее время применяется прямое фотодетектирование, при котором U_С~Р_С.

Рис.6.1. Схема прямого фотодетектирования

2) С целью повышения чувствительности фотоприемных устройств применяется гетеродинное фотодетектирование (гетеродинирование).

При гетеродинном фотодетектировании на фотодетектор кроме сигнального оптического излучения с частотой (длинна волны) подается еще и излучение другого вспомогательного оптического источника (гетеродина) с длиной волны или частотой . Схема оптического гетеродинирования приведена на рис.6.2. Так как фотодетектор является нелинейным устройством (квадратичным), то в результате смешения принимаемого сигнала с сигналом гетеродина, на выходе фотодетектора имеем выходной сигнал U_с на частоте пропорциональный корню квадратному из мощности сигнала и гетеродина . При этом происходит преобразование мощности гетеродина в мощность сигнала и усиление последнего, что и приводит к повышению чувствительности фотоприемного устройства.

Рис. 6.2. Схема оптического гетеродинирования

Фотоприемные устройства, применяемые в ВОЛС и датчиках, включают в себя фотоприемник или фотодетектор и электронный усилитель фототока.

Фотоприемник или фотодетектор является устройством, преобразующим оптические сигналы в электрические, пригодные для дальнейшей регистрации и обработки стандартными методами. В отечественной литературе слова фотоприемник и фотодетектор можно считать синонимами, так как по смыслу они обозначают одно и тоже устройство.

Процесс преобразования оптических сигналов в электрические может происходить в различных средах. В зависимости от физического механизма преобразования фотоприемники можно разделить на 2 класса: квантовые и тепловые.

Принцип действия тепловых фотоприемников основан на, так называемом, болометрическом эффекте, когда некоторое тело или вещество нагревается излучением и изменяет при этом свои свойства, например, сопротивление пленки при нагреве падающим на нее излучением. Тепловые фотоприемники редко применяются в волоконных линиях и системах, поэтому здесь они подробно не рассматриваются.

Квантовые фотоприемники бывают 2 ^х видов: вакуумные фотоприемники, или фотоэлектронные умножители, в основу которых положен внешний фотоэффект и твердотельные фотодетекторы, основанные на внутреннем фотоэффекте, имеющем место в твердых телах, как правило, в полупроводниках.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой вакуумную колбу с встроенными в нее электродами: катодом, ускоряющими динодами и анодом.

Схема ФЭУ приведена на рис.6.3. Работа ФЭУ основана на внешнем фотоэффекте, сущность которого заключается в следующем. В качестве катодов в ФЭУ применяются материалы, в которых имеет место внешний фотоэффект, а именно, при облучении их светом с энергией фотона , где h – постоянная Планка; - частота световых колебаний; U_в – работа выхода материала катода, вблизи катода генерируются носители заряда - электроны. Эти электроны ускоряются электронным полем, которое создается специальной системой и конфигурацией электродов-динодов. При ускорении полем электроны набирают такую энергию, которая позволяет при столкновении их с поверхностью динодов генерировать новые порции носителей за счет ударной ионизации, которые вносят свою долю в общий поток. Таким образом, происходит умножение числа носителей и усиление фототока.

Рис.6.3 Схема фотоэлектронного умножителя.

Твердотельные квантовые фотоприемники или фотодетекторы основаны на внутреннем фотоэффекте. Фотон, поглощаясь в полупроводнике, отдает свою энергию электрону, переводя его на более высокий энергетический уровень, что и приводит к изменению электрических свойств полупроводника.

Большая часть современных твердотельных фотоприемников являются квантовыми, в которых чаще всего используется переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (собственное фотовозбуждение). Иногда также используются переходы электронов из примесной зоны в зону проводимости. На рис. 6.4 приведена схема таких переходов.

Рис. 6.4. Внутренний эффект: а) собственное фотовозбуждение: энергии фотона достаточно () для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости через запрещенную зону ; б) примесное фотовозбуждение фотона мала (), но ее достаточно для перевода электрона с мелкого примесного уровня с энергией в зону проводимости.

И те и другие переходы создают дополнительные неравновесные носители электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Эти генерированные светом носители тока, в зависимости от структуры фотоприемника, так или иначе, приводят к появлению фототока, величина которого зависит от параметров излучения. Простейшим типом полупроводникового квантового фотоприемника является фотосопротивление рис.6.5. Фотосопротивление представляет собой кусок полупроводника с нанесенными на его противоположные грани контактами, на которые подается напряжение. При отсутствии облучения светом полупроводник имеет высокое сопротивление и через него практически не протекает ток. При облучении сопротивление полупроводника резко уменьшается и через него протекает ток, величина которого пропорциональна интенсивности света.

Рис.6.5. Фотосопротивление

Наиболее распространенными структурами фотоприемников являются фотодиоды. Структура обычного фотодиода приведена на рис. 6.6 и 6.7. По своей структуре это обычный полупроводниковый диод, имеющий определенную конструкцию, допускающую облучение структуры светом и обеспечивающую максимальный фотоотклик и другие необходимые фотоэлектрические параметры.

На границе перехода n - и p -области полупроводника истощаются (электроны диффундируют в p-область, а дырки в n -область), таким образом образуется узкая область пространственного заряда доноров и акцепторов и возникает электрическое поле , направленное от n -области к p -области.

На рис. 6.6 показаны три возможных случая фотогенерации пары носителей в зависимости от места поглощения фотона: дырки движутся по направлению поля в p -область, а электроны – против поля в n -область. Скажем иначе: носители движутся по принципу «свой к своим», дырки к дыркам, а электроны к электронам. В двух других случаях пара сначала блуждает (диффундирует) в квазинейтральной области: силы электрического взаимного притяжения не дают электрону и дырке разойтись. И если пара успеет до рекомбинации дойти к области пространственного заряда, то сильного поля области пространственного заряда достаточно, чтобы эту пару разделить, преодолеть силу ее внутреннего притяжения – точно так же, как и в первом случае. Как видим, в идеале на один поглощенный фотон во внешнюю цепь поступает один электрон. Так что ФД является счетчиком фотонов подобно счетчикам ядерных частиц. А облучение эквивалентно подключению к p -n -переходу генератора фототока (рис. 6 б). По этой причине внутренний фотоэффект ФД называется фотогальваническим.

Разработаны самые различные типы ФД, отличающиеся полупроводниковым материалом (он определяет, прежде всего, область спектральной чувствительности), числом, топологией и размером чувствительных площадок. Различны и структуры: могут применяться не два, а несколько полупроводниковых слоев разных толщин, концентраций и даже разных материалов с разной шириной запрещенной зоны (гетероструктуры).

Рис. 6.6. К фотогальваническому эффекту: а) разделение носителей электрическим полем р-n перехода; б) облучение р-n перехода отражается на эквивалентной схеме подключением к нему генератора фототока .

На рис. 6.7 показана структура обычного фотодиода на основе p – n перехода и распределение носителей в области пространственного заряда в p – n переходе. Емкость p – n перехода, определяющая быстродействие фотодиода обратно пропорциональна ширине обедненного слоя d, т.е., чем меньше d, тем больше емкость p – n перехода и меньше его быстродействие. Поэтому для снижения емкости между p - и n -слоями формируется i -слой (pin- структуры или pin фотодиоды рис.8). Символ «i» обозначает слой «чистого полупроводника» собственной проводимости (без примесей). На практике малая концентрация примесей может присутствовать, но сопротивление i -слоя должно оставаться столь большим, чтобы при подаче обратного напряжения малое количество свободных носителей из i -слоя выносилось полем так, чтобы он полностью истощился и образовался широкий слой области пространственного заряда. Даже приведенное выше простое описание фотогальванического эффекта позволяет понять преимущества pin- структуры. В широкой истощенной i -области быстро и без потерь разделяются фотоносители, генерированные в ней глубоко проникающим излучением. Кроме того, емкость прибора и связанная с ней инерционность уменьшаются: широкая истощенная i -область (как бы диэлектрик) раздвинула «обкладки» конденсатора – проводящие p - и n -области.

Гетерофотодиоды решают аналогичную задачу – «заставляют» фотоны поглощаться сразу в области пространственного заряда. Для этого облучаемый слой делают широкозонным, так чтобы ширина его запрещенной зоны была больше энергии падающих фотонов («прозрачное окно»). Фотоны поглощаются в области пространственного заряда узкозонной подложки, в ней .

Рис.6.9. Структура ЛФД и распределение поля в ней

КОЭФФИЦИЕНТ ЛАВИННОГО УМНОЖЕНИЯ.

ШУМОВОЙ ТОК

I – ПОЛНЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ ФД=i_ф+i_Т

- ПОЛОСА ЧАСТОТ

Когда световая мощность очень мала () фототок сигнала будет также очень мал и может быть ниже шумовых токов фотодиода (например, дробовые шумы темнового тока) В этом случае для уменьшения влияния шума и повышения отношения с/ш в фотоприемниках может быть использован эффект лавинного умножения носителей заряда.

В сильном электрическом поле энергия носителей заряда может превысить порог ионизации вещества и в результате столкновения электрона с атомом кристаллической решетки образуется пара электрон – дырка. Если образовавшиеся электроны также ускоряются полем, то они создадут другие носители и т.д. В результате проводимость структуры нарастает лавинно. На рис.6.10 приведена вольтамперная характеристика ЛФД.

Рис. 6.10 Вольтамперная характеристика ЛФД

В основе функционирования фотодиодов лежит: ФОТОВОЛЬТАИЧНЫЙ ЭФФЕКТ – возникновение фототока или ФОТОЭДС при облучении неоднородного полупроводника светом.

Рис.6.11.

Как правило, фотодиод работает в системах в режиме обратного смещения.

ЕМКОСТЬ ФОТОДИОДОВ

Емкость на единицу площади есть:

,

где - диэлектрическая воспр. материала

- диэлектрическая воспр. вакуума.

Рассчитать для S_i P-I-N фотодиода в случае d_i=80 мкм; А=10^-2см².

Дата добавления: 2014-01-20