Измерение диаграммы направленности полупроводниковых источников оптического излучения

Важнейшими элементами волоконно-оптических систем передачи являются полупроводниковые источники оптического излучения. К их числу относятся светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ЛД).

Целью представленного цикла лабораторных работ является изучение основных физических принципов оптического излучения в полупроводниках, измерение важнейших характеристик СИД и ЛД, а также изучение устройства и исследование параметров оптических генераторов.

К числу важнейших характеристик источников оптического излучения относят: мощность излучения, рабочая длина волны, вольт-амперная и ватт-амперная характеристики, диаграмма направленности излучателя. Эти характеристики будут измеряться при выполнении лабораторных работ.

Из измеряемых параметров оптических генераторов необходимо выделить коэффициенты амплитудной модуляции, коэффициенты нелинейных искажений (для ОГ4-162), длительность оптических импульсов, длительность фронтов, определение пределов регулирования тактовой частоты оптических импульсов (ОГ5-87).

Лабораторная работа № 1

измерение ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение физических принципов работы источников оптического излучения, основных параметров источников оптического излучения, измерение их диаграмм направленности.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Излучение света в полупроводниках

К числу полупроводниковых источников оптического излучения относятся светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) [1].

Светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковый электрически управляемый элемент. Электрические и излучательные свойства СИД зависят от механизма переноса носителей при смешении переходов в прямом и обратном направлениях и законов излучательной и безызлучательной рекомбинации в полупроводниках. В основе принципа действия СИД лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра. Иными словами, физической основой работы светодиодов является инжекционная электролюминесценция в полупроводниках. Механизм инжекционной люминесценции состоит из трех основных процессов: излучательной (и безызлучательной) рекомбинации в полупроводниках, инжекции избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывода излучения из области генерации.

Светодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход, в котором одна из областей, например n, является эмиттерной, а другая – р – базовой. В базовую область дополнительно вводят нейтральную примесь, например кислород или азот. Введение этой примеси не приводит к образованию в полупроводнике дополнительных  носителей заряда, но способствует генерации света. При подаче на p-n-переход прямого смещения начинается  инжекция  электронов из эмиттерной области в базовую (рис. 1).

Одновременно происходит процесс инжектирования дырок из базовой области в эмиттерную соответственно, и рекомбинации носителей происходят как в базовой, так и в эмиттерной областях, но базовая область является той частью полупроводниковой структуры, в которой происходит эффективное преобразование энергии инжектированных электронов в энергию излучения.

Прямой ток, текущий через переход, складывается из токов электронов и дырок, которые определяют число актов излучательной (в р-области) и безызлучательной в (n-области) рекомбинации. Чтобы повысить число излучательных рекомбинаций, эмиттер легируют сильнее, чем база. Поток электронов из n-области в p-область больше потока дырок в n-область, что приводит к увеличению числа актов излучательной рекомбинации.

В соответствии с квантовой теорией возбужденный электрон, инжектированный в базовую область, рекомбинируя с дыркой, испускает квант энергии излучения. Длина волны такого излучения λ связана с изменением энергии электрона ∆E соотношением [1, 12]:

где h – постоянная Планка; с – скорость света.

При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации, равна энергетической ширине запрещенной зоны данного  полупроводника (рис. 2):

.

Диапазон длин волн видимого глазом света составляет 0,45 мкм< λ < 0,68 мкм. Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (>1,8 эВ). Исходя из этого ограничения для изготовления светоизлучающих диодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий-арсенид-фосфор (GaAsP) и галлий-арсенид-алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (=3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.