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]

подобными характеристикам светодиодов на двойной гетероструктуре, в которых время нарастании излучения определяется временем жизни носителей ха- Это иллюстрируется рис. 11.10. Однако даже при работе с узкополосковыми лазерами, которые «не звенят», желательно использовать б,.изкое к пороговому смещение, чтобы свести к минимуму необходимое изменение напряжения и связанный с этим дополнительный ток для зарядки емкости диода.

Во всех лазерах влияние изменений температуры на вы.ходные характеристики (см., например, рис. 11.6) приводит к необходимости поддерживать уровень смещения вблизи порога, а максимальное значение -в соответствии с требуемой выходной мощностью. В оптических волоконных системах обычно излучение, выходящее через заднее зеркало, направляют на фотодиод, что позволяет контролировать и уровень смещения и вы.ходную мощность. Типичная система с обратной связью показана на рис. 11.11. Импульсы тока, поступающие на лазерный диод, на который подано предварительное смещение порядка


Врем/1

Рис. 11.10. Переходная характеристика узкополосно1о лазера

+U Т Мощность Д, импульса

t>4

{импульсный -гистсчмин)

(источним смещения)


Ниокочастотньп усилитель

Высоночастотный усилитель

Рис. 11.11. Типичная схема управления лазерным диодом с контролем порогового уровня и импульсной мощности



10 мА, получаются от стандартной интегральной схемы. При использовании GaAs лазера можно получить скорость передачи информации свыше 1 Гбит/с

И.З. источники длинноволнового ИЗЛУЧЕНИЯ

Все рассуждения в этой главе относятся к GaAlAs/GaAs лазерам что объясняется их широким распространением в первых сиаемах оптической связи. Длина волны излучения этих лазеров измеряется от 0,8 до 0,9 мкм при изменении содержания А1 в активном слое. Чтобы использовать область, наиболее выгодную по дисперсии и згтуханию излучения в волокнах, необходимо перейти к более длинноволновому !илучению, которое можно получить, работая с узкозонными полупроводниками (см. гл. 7). Такой системой может служить InGaAsP, выращенный методом жидкофазной эпитаксии на подложке из InP. Низкий пороговый ток имеет также система GaAlAsSb, выращенная на GaSb, но длина волны излучения не превышает 1,2 мкм.

Достоинством InP и InGaAsP является то, что они не содержат А1. Высокая химическая реактивность этого материала приводит к усложнению технологии изготовления, так как требуется тщательная изоляция от кислорода и паров воды. Хорошо согласованные решетки получаются при относительной концентрации компонентов в In GavAsi-yPj/, соответствующей у ж 2,2л;. Удается изготовить лазеры на двойной и зарощенной гетероструктуре для диапазонов 1,2 1,3 и 1,5 ... 1,7мкм. Ограничивающие слои делаются из InP, а активный слой из четверного соединения, причем соотношение компонентов подбирается таким, чтобы обеспечить излучение на требуемой длине волны. Получена пороговая плотность тока 10 А/мм при толщине активного слоя около 0,2 мкм.

Остается проблемой зависимость порогового тока от температуры. Типичное значение параметра Т„ (см. (10.3.7)1 лежит в диапазоне 50 ... 70 К. Таким образом, при увеличении температуры от 20 до 60 °С величина /,(ор удваивается. Есть надежда, что ситуация улучшится по мере совершенствования качества подложки. Во всех других отношениях лабораторные образцы таких лазеров превосходят лазеры на GaAs.

11.4. НАДЕЖНОСТЬ СВЕТОДИОДОВ И ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

При изучен1Ш поведения полупроводниковых источников света в процессе эксплуатации исследовались различные механизмы отказов и причины деградации. Поскольку требуемый срок службы составляет десять или даже двадцать лет, необходимо найти средство для изучения процессов деградации и способов обнаружения ранних стадий ухудшения работы прибора. Поэтому испытания на срок службы проводят при высокой окружающей температуре и в условиях повышен-



ной влажности. Однако хотелось бы знать законы деградации с определенной степенью достоверности. Сложно провести точную классификацию физических механизмов выхода из строя полупроводниковых лазеров и светодиодов, поэтому будем отдельно рассматривать те эффекты, которые проявляются в активном слое, и те, которые специфичны для выходных граней. Кроме того, отдельно будут рассмотрены постоянно протекающие процессы и процессы, возникающие при критических значениях плотности тока и выходной мощности.

При плотности мощности около 10 кВт/мм* начинается катастрофическая деградация. Это связано с поглощением оптической мощности вблизи поверхности, которое вызывает плавление полупроводника. Для полосковых лазеров с шириной полоски около 10 мкм, т. е. при площади излучающей поверхности порядка нескольких квадратных микрометров, это соответствует выходной мощности в несколько десятков милливатт. Точное значение определяется распределением поля в ближней зоне. Покрытие граней, например, корундовой пленкой увеличивает порог этого процесса. Наблюдавшаяся эрозия граней, возможно, связана с фотоокислительными процессами, но остается не выясненным, насколько это существенно для деградации лазеров.

Процессы в объеме материала можно разделить на локальные и однородно распределенные по активной области. Первые известны как дефекты темных линий, которые появляются в областях с интенсивной безызлучательной рекомбинацией, обусловленной дислокациями. Они могут происходить от единичного дефекта в диоде. Дефекты темных линий увеличивают порог и уменьшают выходную мощность, что приводит к быстрому выходу прибора из строя. Для устранения дефектов темных линий следует использовать высококачественные, свободные от дислокаций материалы подложки (~- 10 дислокаций на квадратный миллиметр), а также по возможности считать механические напряжения в приборе. Необходимо аккуратно устанавливать прибор в головке, контакты припаивать специальным припоем с низкой температурой плавления (например, индием) и свести к минимуму механическое давление держателя. Кроме соблюдения этих предосторожностей приборы должны быть отобраны по видимым дефектам и подвергнуты достаточно длительному «отжигу», выявляющему скрытые дефекты темных линий.

Пороговый ток растет, а лазерная мощность при постоянном токе падает в течение работы и независимо от образования дефектов темных линий. Это наблюдается как в лазерном режиме, так н в светодиодном, причем скорость процесса зависит от плотности тока и температуры в соответствии с формулами (9.3.2) и (9.3.3). Можно предположить, что энергия, высвобождающаяся при безызлучательной рекомбинации носителей, увеличивает число точечных дефектов в кристалле, которые действуют как ловушечные уровни. В результате увеличивается скорость безызлучательной рекомбинации (уменьшение Xg) и, как следствие, снижается внутренняя эффективность. Скорость создания таких ловушек зависит от энергии активации и температуры



[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]

0.0037