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]

так что

J « en, d/t„i « edlrxh, (9.2.27)

т„-(if) " (9.2.28)

Экспериментальное подтверждение этого результата представлено на рис. 9.13. Итак:

• а) чтобы добиться большой полосы модуляции, не жертвуя внутренней квантовой эффективностью - Лвнут! необходимо свести к минимуму постоянную времени излучательной рекомбинации - (t„i);

б) этого можно достичь прежде всего повышением концентрации легирующей примеси (пл,) в активном слое (область 1);

в) ограничение повышения пд, обусловлено дефектами решетки, которые возрастают, когда Пд, превышает 10* м-, при этом усиливается безызлучательная рекомбинация и Т1в„ут падает;

г) высокая ширина полосы модуляции может быть получена при высоком уровне инжекции J > J„p, так чтоп, > пд,. Ширина полосы пропорциональна квадрату плотности тока и обратно пропорциональна толщине активного слоя, так как т„ сг) {dIJ) i. Однако нелинейные эффекты можно не учитывать только до тех пор, пока ток модуляции много меньше постоянного тока.

9.3. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ ДВОЙНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Достоинства двойной гетероструктры наиболее полно могут проявиться в светодиоде Барраса. На рис. 9.14 для примера показан такой диод, в котором применено травление вплоть до слоя п = GaAIAs. Травитель селективно воздействует на GaAs, но не разрушает GaAIAs. В результате удается снизить самопоглощение излучения между активным слоем и излучающей поверхностью.

Один из недостатков двойной гетероструктуры обусловлен низкой теплопроводностью слоя GaAIAs, составляющей примерно третью часть теплопроводности GaAs. В результате пропорционально возрастает температура перехода при той же самой плотности тока. Отметим, что активный слой может быть изготовлен из GaAIAs с меньшим содержанием AI, чем в ограничивающем слое. При этом появляется возможность частотной перестройки и снижения плотности дислокаций в активном слое.

Показанная на рис. 9.14 активная область ограничена изолятором, полученным в результате облучения протонами. При облучении полупроводника, такого как GaAs или GaAIAs, протонами высокой энергии происходят нарушения кристаллической решетки, что приводит к значительному росту электрического сопротивления. Доза 3x10" протонов/м увеличивает сопротивление в 100 раз. Глубина проникно



вения протонов определяется нх энергией и ориентировочно составляет 1 мкм на 100 кэВ.

Путем внедрения ионов кислорода также можно получить полуизо-лирующнй материал. Использование протонного облучения предпочтительнее по следующим соображениям. Во-первых, кремнезем имеет сравнительно низкую теплопроводность, поэтому его устранение приводит к увеличению теплоотвода на периферии активной области и снижению температуры при данной плотности тока. Во-вторых, при оксидном изоляторе площадь неактивного р-п-перехода остается большой, что приводит к большой емкости обедненного слоя Cj. Протонное облучение предотвращает паразитную перезарядку емкости, что важно при работе на высоких частотах. Показанный иа рис. 9.14 светодиод характеризуется повышенной надежностью и имеет незначительную деградацию при комнатной температуре, если плотность тока в активной площади не превышает 50 А/мм. Как следует из приведенных в § 8.6 соображений, следует ожидать, что в воздух будет излучаться 0,2-0,3 Вт/мм стерад, т. е. светодиод диаметром 50 мкм обеспечит 1 ... 2 мВт. При соединении с волокном 0,17 ЛЛ большего диаметра можно ожи-

Ммогомодовое волонио Сердцевина SO мнм Покрытие ~ 125мкм

Эпоксидная смола


2 -миллиметровая сереВрянная шпильна

Активная Область, облучен-область пая протонами

Рис. 9:14. Светодиод Барраса на основе двойной гетероструктуры. Показано эггоксидное согласующее соединение с волокном.

•Активная область ограничена материалом, который доведен до состояния и.чолятора путем протонной бомбардировки.

Обозначения слоев: 1n-Qa.AIAs: 2 -л- или p-GaAs; 3 -p-QaAIAs; 4 - p+-GaAs контактный слой




ПоглотигпЕль тепла

Сферическая линза(п-2,0) Металл In р-слой

- p-GaA5 п-БаЛз подпомка

, Металл Припой

Рнс. 9.15. Схематическое изображение светоднода на основе двойной гетероструктуры с самоустанавливающейся сферической линзой

[S. Horiuchi et al. А new LED structure with a selfaligned sphere lens for efficient coupling to optical fibers.- IEEE Trans, on Elect. Devices, ED-24, 986-90, ©, 1977, IEEE.]

дать, что мощность в волокне составит 50 мкВт. Это обычно реализуется на практике.

Ясно, что очень важно свести к минимуму потери на соединении. При площади активной области, ограниченной допустимой температурой, они определяются числовой апертурой и диаметром волокна. Согласующая линза помогает, если диаметр волокна превышает диаметр светоднода. Будет наиболее полезным согласовать среднюю ширину полосы, среднее расстояние и длину волны излучения, скажем, 100 (Мбит/с) км при 0,85 мкм. Тогда источник можно использовать с волокном, имеющим большую числовую апертуру и диаметр стержня, чем в случае, предусмотренном для широкодиапазонной высокоскоростной связи. Возможно, предпочтительнее сделать светодиод малой площади, работающий при высоких плотностях тока, и использовать линзы для оптимизации коэффициента связи. Это особенно важно, когда существенны тепловые потери на периферии активной области, поскольку тепловой импеданс уменьшается с диаметром. В результате при меньшем диаметре активной области можно использовать более высокие плотности тока.

Обнаружено, что использование волокна со сферическим концом, полученным в результате контролируемого оплавления, увеличивает коэффициент связи в 4 раза. Например, светодиод с диаметром излучающей области 35 мкм был соединен с волокном диаметром 85 мкм, имеющим числовую апертуру 0,14 и радиус закругления конца 75 мкм. Этот метод, однако, чувствителен к точности выравнивания (юстировки) светоднода и волокна. Для примера на рис. 9.15 показано применение самоюстирующейся сферической линзы и GaAlAs/GaAs светоднода на основе двойной гетероструктуры, имеющего диаметр активной площади 35 мкм. С помощью сферической линзы диаметром 100 мкм и показателем преломления 2,0 могло быть передано около 100 мкВт в волокно с диаметром сердцевины 80 мкм и числовой апертурой 0,14 при



[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]

0.0023