Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [ 74 ] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

контакт от полупроводника по 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 иа 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 г\ составляет 44 Вт/(м- К) и уменьшается с ростом температуры. Примем расстояние Ах 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 (AT) на 50° С. Для этого воспользуемся соотношением

JV = ц(АТ/Ах), (8.6.1)


I Полшителькый помтачт а I поглотитель тепла

Рис. 8.10. Поперечное сечение светоизлучающего диода Барраса




Оптическая выходная мощность

Рис. 8.11. Падение выходной мощности оптического излучения вследствие pocia температуры за время импульса длительностью 100 не.

[Осцнлограммы из статьи R. W. Dawson and С. А. Burrus, Pulse behavior о( high-radiance small-area electoluminescent diods, Appl. Optics 10, 2367-9, 1971.1

Измерения длины волны с временным разрешением показывают, что температура вырастает от 30 °С в начале импульса до 90 °С в конце

J =(44 х50)/(1,5 хЗ X 10-") =-4,9 X 10« =-490 А/мм, 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 иа 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 NA сможет собрать и передать долю {NAf={n\ - п\) общего света от такого источника.

По аналогии с определениями Лннут и Лвиеш можно определить квантовую эффективность т],,., для системы источник - волокно как отношение числа полезных фотонов, попавших в волокно, к числу носите,чей, прошедших через, переход днода. Тогда

"Пв

,{NAf

,(«:-«о)

(8.6.2) 229



и, если пренебречь самопоглощением в полупроводнике,

Лвол = Лвнут/

Для волокна с NA = 0,17 и GaAs-источника с ft = 0,024 [см. формулу (8.5.4)1 и с Лвнут = 0,5 получаем цд = 0,00035.

Оценим попадающую на волокно мощность, когда ток через диод составляет 100 мА (50 А/мм*). Это примерно соответствует падению напряжения 1,5 В, т. е. потребляемая электрическая мощность составляет 150 мВт. Энергия фотона Бф = 1,4 эВ. Общая мощность генерируемого в полупроводнике оптического излучения Фвнут = ЛвнутХ Х( с) Бф = 70 мВт. Общая оптическая мощность, излученная в воздух, Фвозд =Пвнеш il/e) Бф = 1,7 мВт. Для диффузного источника это соответствует интенсивности /воздо - Фвоад/ = 0,53 мВт/сте-рад и энергетической яркости -возд = /воздо/вол = 2,7х 10* = = 0,27 Вт/мм* хстерад. Мощность, попадающая на волокно, Фг =

Пвол и/е)н = 49 мкВт.

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, й. 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 (п = 1,76), окись кремния (п = 1,9) или нитрид кремния (п « 2,0). В § 2.1.2 проведен анализ, который привел к формуле (2.1.13) и найдено, что доля излучения, переданного в волокно и распространяющегося по не-


Рис. 8.12. Согласующие устройства источник-волокио:

о - использование иммерсионного наполнителя; б - конец волокна заострен н закруглен в форме линзы, которая коллимирует расходящееся излучение; в - сферическая линза, расположенная на .юверхности светоизлучающего диода



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [ 74 ] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0011