пять свободных электронов. Структура арсенида галлия образует щели между зоной проводимости и валентной зоной так, что при рекомбинации электрона с дыркой происходит излучение света.

В основе СИД находится полупроводник р-п типа, излучающий свет в условиях, когда отрицательная клемма электрической батареи подсоединяется к участку полупроводника п-типа (прямое напряжение, положительный наклон энергетических зон). При этом электроны инжектируются в полупроводник п-типа и вытягиваются из полупроводника р-типа. (Вытягивание электронов полностью совпадает с инжекцией дырок в полупроводник р-типа.) На рис. 8.5 в схематическом виде представлен СИД и его работа.

Рис. 8.5. Светоизлучающий диод

Положительный наклон энергетических зон приводит к движению электронов и дырок навстречу друг другу и миграции их через обедненную носителями зону перехода. В результате захвата электронов дырками происходит излучение света. Для постоянного повторения данного процесса и уравновешивания процесса рекомбинации требуется подпитка перехода новыми носителями заряда, осуществляемая при пропускании тока. При отключении тока рекомбинация приводит к восстановлению обедненной зоны в области перехода и излучение прекращается.

Светоизлучающие диоды (СИД), используемые в волоконной оптике, являются более сложными приборами по сравнению с описанным выше, однако принцип работы у них тот же. Сложности возникают из-за того, что необходимо создать источник с заданными характеристиками какой-либо волоконно-оптической системы. Принципиальными характеристиками диода являются длина волны излучаемого света и пространственная диаграмма излучения.

Описанный выше СИД - устройство с гомогенным переходом, то есть с переходом, образованным единственным полупроводниковым материалом. СИД с гомогенным переходом излучает свет как с боковой границы перехода, так и со всей его плоской поверхности. Излучение при этом имеет широкую диаграмму и малую интенсивность, что не совсем пригодно для использования в оптических волокнах. В этом случае только малая часть излученного света может быть направлена в ядро волокна.

Использование гетерогенной структуры перехода позволяет решить данную проблему. Носители заряда оказываются ограниченными активной областью

кристалла. Гетерогенный переход является переходом р-п типа, образованным материалами с аналогичной кристаллической структурой, но с отличающимися энергетическими уровнями и показателями преломления. Эти различия обеспечивают пространственную локализацию носителей заряда и более направленное излучение света. Разница показателей преломления используется, например, для локализации и управления световыми пучками подобно тому, как это происходит в оптическом волокне. В результате получается узконаправленное излучение.

На рис. 8.6 представлены СИД, излучающие как через поверхность, так и через боковую грань. Диоды, излучающие через грань, имеют активную область в виде полоски. Из-за того, что слои выше и ниже полоски имеют различные показатели преломления, свет локализуется благодаря волновод-ному эффекту. (Аналогрганый волноводный эффект присутствует в оптическом волокне.) Ширина излучающей полоски контролируется травлением оксида кремния на боковой грани и напылением металла. Таким образом, ток через активную область ограничивается участком под металлической пленкой. В результате получается интенсивное излучение с эллиптической выходной диаграммой.

СИД с поверхностным иэлучешем

СИД с боковым излучением

Лазер

Рис. 8.6. СИД и лазеры

Используемые в СИД вещества определяют длину волны выходного излучения. Обычно используются СИД на основе арсенида галлия с добавками алюминия (GaAlAs), имеющего окно прозрачности в диапазоне от 820 до 850 нанометров. Длины волн, соответствующие данному окну, удобны и с точки зрения распространения по оптическому волокну. Одна из причин выбора этого диапазона, изначально используемого в волоконной оптике, в том, что приборы, работающие в этом диапазоне, более надежные и дешевые, легко производятся. Таким образом, технология, основанная на использовании 820-микронного излучения, является родоначальной. В настоящее время все более значимой становится 1300-нм технология. Переход с 1300 на 1550 нм зависит, в частности, от развития технологии изготовления источников.

Устройства, работающие на длине волны 1300 нм, основаны на галлий-индий-арсениде фосфора (GalnAsP) и других комбинациях веществ III и V групп Периодической системы.

Лазеры

Лазер - устройство, усиливающее вынужденное излучение активной среды. Слово Laser является аббревиатурой от Light Amplification by the Stimulated Emission (усиление света за счет вынуиеденного излучения). Одно из основных отличий лазеров (рис. 8.6) от светоизлучаюшрх диодов именно в том, что лазер использует вынуиеденное излучение среды, а не спонтанное. Для усиления излучения в лазере используется специальная оптическая система, назьшаемая резонатором Фабри-Перо. Она представляет собой полированные строго параллельные противоположные грани кристалла для получения отражающих поверхностей, похожих на зеркала.

При слабых управляющих токах лазер работает подобно СИД, и излучение света носит характер спонтанного. По мере усиления тока лазер достигает порога генерации, вьппе которого начинается вьшуиеденное излучение и нормальная работа лазера. Таким образом, для начала работы лазера требуется достаточно высокая плотность тока (наличие большого числа электронов в небольшой рабочей области чипа). Спонтанно излученные фотоны захватываются резонатором Фабри-Перо, отражаясь от полированных боковых граней, и делают несколько проходов от одного зеркала к другому. Данные фотоны несут с собой энергию, соответствующую ширине щели полупроводникового вещества, используемого в лазере. При взаимодействии этих фотонов с электронами, находяпщмися в возбуиеденном состоянии, происходит немедленная рекомбинация последних, сопровождающаяся излучением света. Напомним, что длина волны фотона является мерой его энергии. Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вьшуиеденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения. Другими словами, падаюшдй фотон приводит к излучению еще одного такого же фотона/При многократном повторении этого процесса число фотонов растет лавинообразно, и излучение усиливается.

Достаточно сильный управляющий ток создает инверсную населенность электронных уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, в котором основная часть невозбуиеденных электронов переходит в возбужденное состояние. При этом в активной области вблизи перехода образуется большое число свободных электронов и дырок. При наличии инверсной населенности более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона под воздействием падающего фотона. Для работы лазера требуется достижение определенного уровня инверсной населенности, определяемого пороговым значением тока.

Часть фотонов остается захваченной в резонаторе и продолжает движение между зеркалами, вызывая дальнейшее излучение, тем не менее некоторая часть излучения проходит через полированные грани, формируя интенсивный пучок света. Поскольку свет заводится в волокно только через фронтальную поверхность чипа, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света. Свет, отражаемый от задней поверхности, может быть также использован для управления излучением через фронтальную поверхность. Такого рода управление применяется для регулирования силы управляющего тока, чтобы поддерживать постоянный уровень мопщости излучения на выходе.