Источники излучения в интегрально-оптических схемах

Излучение СД возникает в результате спонтанной излучательной рекомбинации носителей заряда и поэтому является некогерентным ,а следовательно относительно широкополосным и слабонаправленным. Особо следует выделить суперлюминесцентные СД.В этих диодах помимо спонтанной рекомбинации с излучением используется процесс индуцированной рекомбинации с излучением; выходное излучение является усиленным в активной среде.Суперлюминесцентные СД представляют собой торцевые СД,работающие при таких высоких плотностях тока инжекции,что в материале активного слоя начинает наблюдаться инверсная населенность энергетических уровней. . Принципиальным отличием лазерного диода от СД является наличие в первом встроенного оптического резонатора,что позволяет при условии превышения током инжекции некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения,которое характеризуется высокой степенью когерентности.Наиболее часто в качестве оптического резонатора используют:плоский резонатор Фабри-Перо и его модификации,включая составные и внешние резонаторы,резонаторы с распределенной обратной связью ( РОС-резонатор ) и с распределенным брэгговским отражателем ( РБО-резонатор ).Плоский резонатор образуется обычно параллельно сколотым торцам полупроводника ,а РОСи РБО-резонаторы --путем периодической пространственной модуляции параметров структуры,влияющих на условия распространения излучения.При совмещении периодической структуры с активной областью получают РОС-диод,а при размещении периодической структуры за пределами активной области -- РБО-лазерный диод.

Преимуществами РОСи РБО-лазерных диодов по сравнению с обычным лазерным диодом с резонатором Фабри-Перо являются:Уменьшение зависимости длины волны излучения от тока инжекции и температуры,высокая стабильность одномодовости и одночастотности излучения,практически 100-процентная глубина модуляции.Так,если в лазерном диоде с резонатором Фабри-Перо температурный коэффициент порядка 0,5...1 нм/ ° С.Кроме того РОСи на отказ.Кроме того,для РБО-структуры позволяют реализовать интегрально-оптические схемы.Основным их недостатком является сложная технология изготовления.

Полупроводниковые излучатели в общем случае определяются комплексом параметров и характеристик ,включая габаритные и присоединительные размеры.Однако с точки зрения их применения в качестве компонентов ВОСП важное значение имеет ограниченный набор параметров и характеристик,которые чаще всего и приводятся в паспортных данных конкретных приборов.

Наиболее важными для применения в ВОСП параметрами являются:средняя мощность излучения,ширина излучаемого спектра,время нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении тока накачки,падение напряжения на диоде и наработка лазерных диодов и торцевых светодиодов ,обладающих узкой диаграммой направленности,существенное значение имеют углы расходимости по уровню половинной мощности.Эти углы обычно определяют по направлению излучения в параллельной и перпендикулярной переходу плоскостях и обозначают соответственно и .Оба угла характеризуют поле излучения в дальней зоне и обычно =10...30 ° и =30...60 ° . Средняя мощность излучения при работе при работе излучателя в непрерывном режиме определяет полную мощность,излучаемую поверхностью активной области прибора в направлении вывода излучения. Длину волны излучения значение,соответствующее максимуму спектральн ого распределения мощности,а ширину излучаемого спектра - как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Огибающая спектрального распределения излучения светодиода имеет примерно форму гауссовской кривой с спектра значительно уже ( порядка 1.....4 нм ) и еще меньше для РОС - и РБО - лазерных диодов, у которых в зависимости от конструкции она может составлять 0,1.... 0,3 нм.

Минимальная ширина спектра достигается в лазерных диодах с внешними резонаторами, у которых она в зависимости от типа резонатора лежит в пределах 1...1500 кГц . Для высокоскоростных ВОСП важное значение имеют динамические свойства лазерных диодов, которые проявляются в зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения путем изменения тока накачки. У одномодового лазерного диода с резонатором Фарби - Перо увеличение скорости передачи сопровождается изменением модового состава, что характеризуется динамическим расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой порядка 1....2 Ггц .Для РОСи РБО-лазерных диодов при модуляции в диапазоне 0,25...2 Ггц имеет место лишь незначительный сдвиг сохранениии высокой степени подавления побочных мод.Поэтому эти лазерные диоды часто называют динамически одномодовыми . Быстродействие источников излучения оценивается временем нарастания и временем спада мощности излучения при модуляции импульсами тока накачки прямоугольной формы достаточной длительности ( мощности.Часто быстродействие определяется максимальной частотой модуляции.Для светодиодов эта частота может достигать 200 Мгц , а у лазерных диодов - значительно больше (несколько Ггц ).Ограничение частоты модуляции светодиодов связано со времененм жизни неосновных носителей, а лазерных диодов - с корреляцией между концентрацией инжектируемых носителей и потоком фотонов ,возникающих вследствие их рекомбинации . К параметрам ,определяющим статический режим работы полупроводникового излучательного диода , относят падение напряжения на диоде и ток накачки при прямом смещении.Кроме этих параметров статический режим работы характеризуется ватт-амперной характеристикой . На ватт-амперной характеристике лазерного диода можно выделить точку излома,которая определяется пороговым током накачки I пор .П ри токах накачки выше порогового лазерный диод работает в режиме индуцированного излучения и мощность его очень быстро растет с увеличением тока накачки.Если ток накачки меньше порогового ,то прибор работает в режиме спонтанного излучения и излучаемая мощность мала.Одновременно резко уменьшается быстродействие и существенно расширяется ширина излучаемого спектра.Поэтому лазерные диоды в динамическом режиме работы требуют начального смещения постоянным током,примерно равным пороговому току.Наклон ветви ватт-амперной характеристики лазерного диода,расположенной правее I пор ,характеризует дифференциальную квантовую эффективность д = dP / dI н, которая зависит от конструкции прибора и его температуры.Типичные значения дифференциальной квантовой эффективности лазерных диодов составляют 0,1...0,2 мВт / мА,а пороговый ток лежит в пределах 10...100 мА . Для лазерных диодов характерна температурная зависимость порогового тока и дифференциальной квантовой эффективности.С ростом температуры пороговый ток увеличивается, а дифференциальная квантовая эффективность уменьшается.Изменение температуры приводит также к изменению длины волны излучения.Наибольшей температурной нестабильностью обладают лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо.Лазерные диоды с РОСи РБО-резонаторами более термостабильны.Для уменьшения температурных влияний применяют специальные меры , например используют теплоотводы с элементом Пелтье.