8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода

Модуляционной характеристикой называется зависимость промодулированной мощности светоизлучающего диода от частоты модуляции. Модуляция интенсивности излучения светодиодов осуществляется путем модуляции тока инжекции, а полоса модуляции ограничивается временем жизни инжектированных носителей.

Промодулированная мощность оптического излучения светоизлучающего диода выражается как: (8.7)

где P_m(0) –мощность немодулированного излучения,  -рекомбинационное время жизни носителей, f –частота модуляции. На рис.8.7. представлен пример модуляционной характеристики светоизлучающего диода:

Рис.8.7. Вид модуляционной характеристики светоизлучающего диода.

Под полосой модуляции подразумевается верхняя граничная частота модуляционной характеристики f_гр на рис.8.7. Полоса модуляции обычно определяется по частоте, на которой обнаружительная способность уменьшается вдвое, т.е. из (8.7.) получим:

, (8.8)

где _сп и ^* - времена излучательной и безызлучательной рекомбинаций.

Излучательная рекомбинация 1/_сп выражается формулой:

(8.9)

где р₀ -концентрация легирующей примеси, n -концентрация инжектированных носителей, B=(510^-11210^-10) см^-3/с - коэффициент рекомбинации.

При концентрациях р₀10¹⁹ см^-3 быстродействие светоизлучающего диода достигает несколько сотен мегагерц. Однако при этом возрастают безызлучательные рекомбинации, и уменьшается КПД светового излучения.

8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода

К основным параметрам светоизлучающего диода относятся:

_max - длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики; Р - мощность излучения;  -ширина спектральной характеристики по уровню 0,5 максимума мощности; _ф, _с –времени нарастания и спада импульса излучения, определяют быстродействие светоизлучающего диода; U_пр - постоянное прямое напряжение; I_пр - постоянный прямой ток; Ф() -диаграмма направленности.

Светоизлучающий диод как элемент электрической цепи постоянного тока характеризуется вольт - амперной характеристикой (рис.8.8.). Различные светоизлучающие диоды имеют различные вольт - амперные характеристики.

Различия прямых ветвей вольт - амперной характеристики связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов.

Рис 8.8. Вольтамперные характеристики светоизлучающих диодов:

1 – GaAs, 2 – GaP, 3 – SiC.

Параметры светоизлучающего диода сильно зависят от температуры. С ростом температуры _max смещается в сторону длинных волн, что связано с уменьшением ширины запрещенной зоны Е_g. Сила света светоизлучающего диода I_c(T) изменяется с ростом температуры по экспоненциальному закону: I_c(T)=I_c0 exp[-TKI(T-T₀)], (8.10)

где I_с0 -сила света при комнатной температуре, TKI -температурный коэффициент силы света.

8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом

Излучающие диоды в соответствии с частотным диапазоном подразделяются на инфракрасные излучающие диоды и на светоизлучающие диоды. Рассмотрим некоторые конструкции светоизлучающих диодов.

По способу вывода излучения излучающие диоды подразделяются на диоды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями.

В светоизлучающем диоде с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода и его конструкция имеет вид, приведенный на рис.8.9:

Рис. 8.9. Конструкция диода Барраса: 1 –эпоксидная смола, 2 –омический кониакт, 3 –излучение, 4 –волоконный световод, 5 – подложка n-GaAs, 6 –активный слой, выращенный p –слой, 8 –омический контакт, 9 –теплоотвод.

Для вывода излучения через поглощающую подложку на арсениде галлия в GaAs светоизлучающего диода в подложке вырезается круглое отверстие и вводится оптическое волокно. Такую конструкцию диода называют диодом Барраса. Область светового излучения обычно представляет собой круг диаметром 5075 мкм. Плотность тока накачки лежит в пределах 515 кА см².

В светоизлучающем диоде с торцевыми излучателями вывод излучения осуществляется непосредственно с торца через активный слой. Так как в активном слое имеет место сильное самопоглощение, то его КПД ниже, чем у диодов Барраса.

Спонтанное оптическое излучение светоизлучающего диода является изотропным, поэтому пучок света имеет форму, расширяющуюся в плоскости и для заданного угла  может быть представлена законом Ламберта. Интенсивность падает вдвое при угле =120⁰. При таких углах расходимости эффективность связи с оптическим волокном мала и появляются потери связи светоизлучающего диода с оптоволокном. Эти потери снижаются пропорционально квадрату числовой апертуры оптоволокна (числовая апертура NA=n₁ =n₁Sin_c, =(n₁-n₂)/n₁ - удельная разность показателей преломления сердцевины (n₁) и оболочки (n₂), _с- максимальный угол, при котором происходит полное отражение - при  >_c свет не передается по световоду).

Поэтому в оптических системах с использованием излучающих диодов применяется оптическое волокно с большой числовой апертурой.

Если диаметр источника излучения d₁ будет больше диаметра сердцевины волокна d_f, то потери связи будут расти пропорционально (d_f/d₁)² и оптимальным является d₁d_f.

Эффективность связи можно увеличить, используя линзы. Если сначала сделать d₁<d_f, а затем, используя линзу с кратностью увеличения М=d_f/d₁ увеличить диаметр светового пучка до диаметра сердцевины, то эффективность связи является максимальной и представляется в следующем виде: _f=M²NA² - для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и _f=(1/2)М²NA² - для волокна с градиентным профилем показателя преломления.

Таким образом, эффективность связи в этом случае возрастает пропорционально квадрату кратности увеличения линзы М.

В заключение следует отметить, что излучающий диод – основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обуславливается следующими его достоинствами:

-высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;

-относительно узкий спектр излучения  10 50 нм для одного типа диодов;

-возможность перекрытия почти всего оптического диапазона диодами различных типов;

-относительно высокая для некогерентного излучателя направленность излучения;

-малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость светоизлучающего диода с интегральными схемами;

-высокое быстродействие;

-малые габариты, т.е. возможность технологической совместимости с микроэлектронными устройствами;

-высокая надежность и долговечность.