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]

9.6. В диоде на основе двойной гетероструктуры времена излучательной н безызлучательной рекомбинации в активном слое, имеющем толщину 0,5 мкм, составляют 10 и 30 нм соотвестственно, а скорость рекомбинации одинакова для обоих гетеропереходов и равна 10 м/с. Считая, что коэффициент рекомбинации для материала активного слоя г= 2xl0-ie м/с, рассчитать: а) концентрацию легирующей примеси в активном слое; б) внутреннюю квантовую эффективность; в) предельную частоту модуляции; г) плотность тока, соответствующую выполнению условия сильной инжекции.

9.7. Два типа светодио.аов для оптических волоконных систем предназначены для работы в диапазоне температур от 9 до 60° С. Значения температурного параметра Т„ в формуле (9.3.1) составляют 80 и 120 К. Рассчитать отношение минимальной к максимальной выходной мощности при крайних температурах для каждого случая.

9.8. Испытывается надежность образцов из Ga.MAs/GaAs и lnGa.\sP/lnP при 200° С. Время соответствующее спаду выходной оптической мощности иа 50 %, было 10 ООО ч для первого типа и 1000 ч для второго. Предполагается, что в каждом случае процесс деградации определяется энергией активации [см. выражения (9.3.2) и (9.3.3)] 0,6 н 1,0 эВ соответственно. Рассчитать срок службы до половинного спада мощности при температуре 100 С,

РЕЗЮМЕ

Гетероструктуры n-N и р-Р обычно характеризуются омическим поведением. Гетероструктуры п-Р и N-p имеют характеристики, подобные характеристикам р-п гомопереходов, но с повышенной эффективностью инжекции неосновных носителей в узкозон-иый материал.

Двойная гетероструктура ограничивает в пределах активного слоя неосновные носители и оптическое излучение.

Рекомбииационное излучение, зародившееся в узкозонном материале, не поглощается в широкозониом.

В диоде на основе двойной гетероструктуры внутренняя квантовая эффективность Т1в„у,, == т/т„,, где 1/т 1/Ти1 + I/tqi + 2s/d. Шнрииа полосы модуляции /д, = 1/2 лт. «Сильная инжекция» уменьшает Тщ при / > еглд,й7т1внут- Тогда т„, » {edlrJfl. Разработаны различные типы светодиодов иа основе двойной гетероструктуры с поверхностным и краевым излучением. Для длины волиы 0,85 мкм могут быть использованы GaAlAs/GaAs, для более длинных волн (1...1,6 мкм) предпочтительнее системы InGaAsP/InP. Наиболее распространена технология жидкофазиой эпитаксии.

Если используется волокно с повышенным диаметром и числовой апертурой, коэффициент связи может быть увеличен при использовании линзовых поверхностей. От 20 до 100 мкВт может быть введено в волокно при диаметре сердцевины 50 мкм и 100 ... 300 мкВт - при диаметре сердцевины 85 мкм (волокна 0,17 NA).



10. РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 10.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА

10.1.1. Спонтанное излучение, индуцированное излучение и поглощение

Инжекционная люминесценция, обусловленная излучательной рекомбинацией, есть результат спонтанных зона-зонных электронных переходов. В присутствии электромагнитного излучения с подходящей длиной волны могут также наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями. При переходе между состояниями с энергией и ег (е, > е,) излучение имеет частоту /g, = (eg - 8j) i, т. е. в свободном пространстве -/ic/(f2 - eJ. где/i - постоян-

ная Планка. При взаимодействии излучения с атомом, находящимся в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение кванта излучения и атом перейдет на верхний уровень. Когда во взаимодействии участвует атом, находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти излучение индуцированного кванта. Вследствие этого при наличии излучения уменьшается среднее время жизни возбужденного состояния. Любой квант индуцированного излучения имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим. Они когерентны.

Используемые в оптических линиях связи полупроводниковые лазеры на основе двойной гетероструктуры по устройству подобны свето-диодам с торцевым излучением, описанным в § 9.3. Как и в других лазерах, генерация излучения в них почти полностью обусловлена индуцированными переходами. Характерные особенности лазерного излучения по сравнению с излучением светодиодов: узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот.

Выведем некоторые важные соотношения, описывающие процессы излучения и поглощения в и.арализированной двухуровневой системе с

Энергия I \ элентронод

Населенность

Рис. 10.1. Схематическое представление процессов:

а - поглощения; б - спонтанного излучения; в-индуцированного излучения для идеализированной атомной системы с двумя разрешенными энергетическими

состояниями 8) и «2



энергетическими состояниями ej и (рис. 10.1) и уточним эти соотношения, используя полуклассическое приближение и учитывая более сложную электронную структуру полупроводников. Затем получим условия лазерной генерации. Подробное изложение этих вопросов можно найти в специальных работах, например (7.1], 110.11 и [10.21.

Во-первых, рассмотрим распределение населенностей в двухуровневой системе при выполнении условия термодинамического равновесия. Концентрация атомов, состояние электронов в которых соответствует энергиям El и eg, определяется соотношением Больцмана

- ехр [(eg - гукТ]. (10.1.1)

Распределение энергии в спектре равновесного излучения при некоторой температуре определяется законом Планка для излучения абсолютно черного тела

р(/)Рчт (/)--. ПО.1.2)

где р,,.т - спектральная плотность электромагнитной энергии в единице объема, а индекс соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела.

Вероятность того, что атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии Ki, поглотит фотон с энергией 8ф = 8 - 8i за интервал времени б/, пропорциональна р (/gj) и б/, т. е. может быть написана в виде B12P (/21) bt. Аналогично вероятность индуцированного перехода атома нз верхнего энергетического состояния в нижнее есть Л, р (/j) х Хб/. Наконец, вероятность спонтанного распада верхнего состояния Afit, причем среднее время жизни возбужденного состояния, обусловленное спонтанным излучением

т,„=1/Л2,. (10.1.3)

В условиях термодинамического равновесия, когда р (/) = Рчт 0, скорость возбуждения нз состояния 1 в состояние 2 должна совпадать с общей скоростью распада из состояния 2 в состояние 1. Эти скорости, отнесенные к единице объема, получаются умножением вероятности перехода на концентрацию атомов, находящихся в соответствующем энергетическом состоянии. Так что

л. + Во, р„.., f/г,) «2 = ВпРч.т (Al) Л1; (10.1.4)

здесь использовано (10.1.1). Поскольку (10.1.2) и (10.1.5) выполняются при любой температуре, то



[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]

0.0017