Светоизлучающий диод. Принцип работы

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) -- полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.

Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда -- электроны и дырки -- рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A^IIIB^V (например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe).

Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.

Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

№17

1). Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличи­тельные черты:

использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления

EDFA (1530-1560 нм); малые расстояние ДА, между мультиплексными каналами (3, 2 / 1, 6 / 0, 8 или 0, 4 нм).

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим чис­лом каналов (до 32-х и более), то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексиру­ются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройст­ва, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного ббльши*. числом других каналов.^ Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршру­тизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует зна­чительно большей прецизионности по сравнению с WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрест­ности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.

Типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рис1. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мульти­плексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод- пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов ос­тается мультиплексным, а каждый канал (Х_1}Х₂,...) остается представленным во всех волно­водах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и, в итоге, свето­вые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и ин­терференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частно­сти, расположение выходных полюсов, и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волново- дов-пластин (рис. 8.1 б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему слу­чаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется допол­нительная пластина.

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое зату­хание в сигнал. Например, потери для устройства (рис. 8.1 а), работающего в режиме де­мультиплексирования составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах < -20 дБ, и по­луширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Oki Electric Industry [5]). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора. на DWDM можно организовать большее число каналов, еще одно преимущество перед CWDM заключается в том, что возможно усиление сигнала при помощи недорогих и эффективных эрбиевых усилителей (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA), тем самым можно организовать протяженные оптические линии с большой пропускной способностью без использования промежуточной электрической регенерации

2).Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет актив­ная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах [11, 12]. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специаль­ное покрытие толщиной Х/4 с согласованным показателем преломления, рис.

Полупроводниковые лазерные усилители не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППЛУ свойственны два существенных недостатка.

Светоизлучающий активный слой имеет поперечный размер несколько микрон, но тол­щину з пределах одного микрона, что много меньше, чем диаметр светонесущей части опти­ческого волокна (~ 9 мкм - для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть све­тового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что умень­шает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.Второй недостаток имеет более тонкую природу. Дело в том, что выход (коэффициент усиления) ППЛУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8 дБ для двух ортогональных поляризаций. Это нежелательно, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль длины. Отсюда вытекает, что коэф­фициент усиления ППЛУ зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту зави­симость от поляризации путем установки двух лазеров - возможно как параллельное (требу­ется пара разветвителей), так и последовательное их подключение. Но это снова приводит к усложнению конструкции и росту стоимости.

Два приведенных недостатка нивелируются в тех случаях, когда ППЛУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используются ППЛУ. Од­на из возможностей - производство совмещенного светоизлучающего лазерного диода, не­посредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ.

На рис. 4.14 показана еще одна реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППЛУ используются в качестве широкополосного усилителя. Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы

№24

1) Режим работы лазера, при котором лазерное излучение содержит как продольные,

так и поперечные типы колебаний, называют многомодовым