6
Оптические генераторы и детекторы

Введение

Данная глава будет исследовать работу источников света и связанные с ними детекторы, использующиеся в волоконно-оптических системах. Будут также рассмотрены практические аспекты, необходимые для преобразования этих устройств в оптические передатчики и приемники.

Будут рассмотрены проблемы производительности этих устройств. Также будут обсуждены перспективы развития, такие, как использование систем оптических усилителей.

6.1. Источники света

Эффективные источники света для целей оптической передачи должны обладать несколькими важными характеристиками:

• быть способными эффективно сопрягаться с маленьким диаметром сердечника, до 8,5 микрометров для одномодовых волокон;
• легко модулироваться электрическими сигналами для передачи данных с хорошей линейностью для предотвращения гармонических и модуляционных искажений;
• иметь высокую мощность излучаемого света;
• иметь высокую надежность;
• небольшие размеры и вес;
• низкую стоимость.

Светодиоды (LED) и лазерные диоды (LD) удовлетворяют многим из этих требований; и ниже мы детально рассмотрим их свойства.

6.2. Светодиоды

6.2.1. Строение

Простой светодиод изготавливается путем соединения полупроводников двух типов, каждый из которых содержит примеси, придающие ему соответствующие электрические характеристики. Область р-типа содержит примеси, в которых электронов меньше, чем атомов в кристаллической решетке, поэтому содержит атомы с избыточным положительным зарядом. Они известны как "дырки", поскольку создают для электронов возможность перемещаться по кристаллической решетке. Подобным же образом области n-типа используют примеси, содержащие избыток электронов по сравнению с атомами и являющиеся эффективными донорами электронов, так что в кристаллической решетке появляется избыток свободных электронов. Наиболее важные оптические полупроводники изготавливаются из элементов периодической системы групп III а и V a, как показано в табл. 6.1.

Табл. 6.1. Оптические полупроводниковые материалы

Группа Ша	Группа Va
Алюминий (Аl)	Азот (N)
Галлий (Ga)	Фосфор (P)
Индий (In)	Мышьяк (As)
	Сурьма (Sb)

6.2.2. Основные принципы работы светодиодов

Когда к р-области приложено положительное напряжение, а отрицательное напряжение приложено к n-области, электроны и дырки движутся к месту соединения двух областей, где они объединяются. Когда электрон объединяется с дыркой, атом возвращается в нейтральное состояние и освобождается энергия, которая преобразуется в световую энергию в виде фотонов. В простейшем случае излучаемая светодиодом энергия образуется при рекомбинации электронов и дырок, которые вводятся в зону соединения прямым смещающим напряжением (forward bias voltage).

Зонная теория дает простое объяснение полупроводниковой проводимости. Существуют два разрешенных энергетических уровня, разделенных запрещенной зоной, как показано на рис. 6.2. В верхнем уровне в n-области, известном как зона проводимости, несвязанные электроны могут двигаться свободно, тогда как на нижнем уровне р-области, известном как валентная зона, могут двигаться дырки.

Рис. 6.1. Принцип действия светодиода

Рис. 6.2. Запрещенная зона определяет выделение энергии

Размер запрещенной зоны определяет энергию излученного фотона. У различных полупроводниковых материалов разная энергия запрещенной зоны, энергия перехода (W) в электрон-вольтах (эВ) может быть связана с длиной волны (λ) через следующую формулу:

Обычные светодиоды, применяющиеся в волоконно-оптических системах, используют арсенид галлия и алюминия (GaAlAs) для длин волн от 800 до 900 нм и арсенид галлия (GaAs) для 930 нм. Светодиоды для использования с пластиковыми волокнами должны работать на длине волны примерно 630 нм, создаваемой компонентами на основе фосфида арсенида галлия (GaAsP). Для более длинных волн от 1300 до 1550 нм используются различные компоненты на основе фосфида арсенида индия и галлия (InGaAsP). Типы полупроводников, соответствующие им энергии запрещенных зон и длины волн показаны в табл. 6.2.

Табл. 6.2. Энергии запрещенной зоны и длины волн полупроводников

Полупроводник	Энергия запрещенной зоны (эВ)	Длина волны (нм)
GaAsP	1,88	660
GaAlAs	1,55-1,38	800-900
GaAs	1,33	930
InGaAsP	0,95-0,80	1300-1550