Суперлюминесцентные светодиоды с торцевым излучением

September 11, 2011 by admin Комментировать »

Светодиоды с торцевым излучением, обладающие большой яркостью, обеспечивают высокую эффективность ввода излучения в оптическое волокно. Светодиоды с торцевым излучением включают в себя область оптического волновода, вдоль которой распространяется излучение за счет полного внутреннего отражения.

Суперлюминесцентные диоды являются источниками некогерентного излучения высокой интенсивности, имеют широкие спектральные линии. Некогерентное излучение характеризуется большей размытостью результирующего светового пятна по сравнению с пятном, получаемым от источников когерентного излучения — лазеров. Суперлюминесцентные светодиоды используют для работы в системах связи на основе одномодовых световодов, а также в качестве источников света повышенной интенсивности в анализаторах оптических компонентов (Liu, 2000).

Излучение направляется в активный слой волновода. На границах между активным слоем и верхним и нижним барьерными слоями происходит полное внутреннее отражение излучения (рис. 23.8). Чтобы свет мог распространяться вдоль волновода, показатель преломления

активного слоя должен быть значительно выше показателей преломления барьерных слоев. Тогда фотоны будут вылетать под малыми углами к оси волновода и перемешаться вдоль активного слоя за счет отражений от границ раздела двух сред с разными показателями преломления (рис. 23.8).

РИС.-23.8. Геометрия волновода, показывающая распространение лучей света

в активном слое

 

Поскольку свет распространяется вдоль активного слоя светодиода (волновода), интенсивность свечения увеличивается линейно с ростом его длины. Таким образом, увеличение длины светодиода с торцевым излучением позволяет повысить интенсивность его свечения. Однако при этом также возрастает величина тока возбуждения.

Суперлюминесцентные светодиоды являются светодиодами торцевого излучения с высокими токами накачки, обеспечиваюшими акты вынужденной рекомбинации. В таких актах каждый фотон приводит к рекомбинации электронно-дырочной пары с излучением очередного фотона. Вновь испущенный фотон имеет то же направление движения, фазу и длину волны, что и исходный фотон. Поэтому суперлюминесцентные светодиоды отличаются от обычных большей когерентностью излучения. В режиме вынужденной рекомбинации спонтанное излучение, идущее к верхней поверхности светодиода, уменьшается, тогда как излучение в волноводные моды усиливается.

Суперлюминесцентные диоды похожи на полупроводниковые лазеры, но с одним довольно серьезным отличием: в них отсутствует оптическая обратная связь, обеспечиваемая отражателями в лазерах. На рис. 23.9 показаны структуры двух типичных суперлюминесцентных светодиодов. Задняя грань светодиода на рис. 23.9, а обладает высоким коэффициентом отражения, а на переднюю грань нанесено антиотражающее покрытие. Для предотвращения лазерной генерации коэффициент отражения передней грани должен быть ^ 10~® (Liu, 2000; Sauletal., 1985). Для выполнения этого требования антиотражающее покрытие должно иметь высокое качество, что приводит к существенному увеличению стоимости изготовления таких светодиодов.

Более дешевый светодиод показан на рис. 23.9, б. В структуру такого светодиода входит область потерь, расположенная рядом с задней гранью диода. Эта область не покрыта,верхним металлическим контактом и поэтому не накачйваетсяТокомг^сли длина области потерь^

Рис. 23.9. Структуры двух типичных суперлюминесцентных светодиодов: а — суперлюминесцентный светодиод со сколотыми гранями, на одну из которых-^ нанесено антиотражающее покрытие; б — суперлюминесцентный светодиод со сколотыми гранями без антиотражающего покрытия и с полосковым контактом для ввода тока, частично покрывающим поверхность устройства

 

намного больше длины поглощения активной области, обратной связи в устройстве не наблюдается, т. е.

где а — коэффициент поглощения активной области. Коэффициент поглощения полупроводников  на краю запрещенной зоны а « w10^ см"’. Поэтому при длине области потерь больше нескольких десятков микрометров, оптическая обратная связь через заднюю грань пренебрежимо мала.

В дополнение к потерям на поглощение в области без накачки инжекционным током возникают потери на дифракцию. Усиление излучения происходит в области инжекции носителей тока, а не в области потерь. Поэтому оба типа потерь —на поглощение и дифракцию помогают избежать в светодиодах данного вида возникновения лазерной генерации.

На рис. 23.10 показаны спектры излучения обычного светодиода, суперлюминесцентного светодиода и лазера. Обычные светодиоды имеют наиболее широкие спектры излучения. Спектры суперлюминесцентных светодиодов с небольшими коэффициентами отражения граней отличаются периодической модуляцией спектральных линий, возникающей из-за усиления излучения в резонаторах Фабри-Перо. Идеальные суперлюминесцентные светодиоды обладают гладкими спектральными линиями без какой-либо модуляции. Спектры суперлюминесцентных светодиодов уже, чем у обычных светодиодов. Это объясняется улучшением когерентности, вызванным вынужденным излучением. На рис. 23.10 также показан спектр лазера Фабри-Перо с несколькими лазерными модами.

На рис. 23.11 для сравнения представлены зависимости интенсивности излучения от тока (зависимостиL-I)для обычного све-

Рис. 23.10. Спектры излучения: а —обычного светодиода с теоретической шириной спектра l,8fcT; б — многомодового полупроводникового лазера; в — суперлюминесцентного светодиода, изготовленного на основе многомодового лазера с антиотражающим покрытием одной из его граней; г —идеального суперлюминесцентного светодиода с шириной спектра меньшей кТ(Liu, 2000)

 

тодиода, суперлюминесцентного светодиода и лазера. Поверхностно- излучающие светодиоды с небольшим диаметром излучающей области характеризуются выпуклыми зависимостямиL-I.При высоких плотностях тока активные области поверхностно-излучающих светодиодов небольшого объема переполняются носителями, что ведет к насыщению. Светодиоды с торцевым излучением, работающие в режиме спонтанного излучения, отличаются линейными зависимостямиL-I, такими как у идеальных светодиодов. Суперлюминесцентные светодиоды обладают вогнутыми зависимостямиL-I,что вызвано работой в режиме вынужденного излучения, приводящем к росту числа фотонов, распространяющихся в волноводе. Количество фотонов, излучаемых в волноводную моду, растет пропорционально увеличению тока, поскольку при этом вынужденное излучение становится основным. Как и суперлюминесцентные светодиоды, полупроводниковые лазеры характеризуются вогнутыми зависимостямиL-I.При этом Х-/-зависи- мости лазеров отличаются более выраженным порогом.

Рис. 23.11. Зависимости интенсивности излучения от тока для разных типов светодиодов: а — светодиоды с торцевым излучением со слабым эффектом насыщения или без него; б — поверхностно-излучающие светодиоды с небольшой активной областью с эффектом насыщения из-за переполнения носителями; в — суперлюминесцентные светодиоды. Показана L-Z-зависимость лазера, отличающаяся выраженным пороговым током

 

Библиографический список

Burrus С. А. and Miller В. I. "Small-area double heterostructure AlGaAs electroluminescent diode sources for optical fiber transmission lines" Opt. Commun. 4, 307 (1971).

Liu Y. "Passive components tested by superluminescent diodes" February issue of WDM Solutions p. 41 (2000).

MitelCorporation. RC-светодиоды были впервые изготовлены корпорацией Mitel. RC-СД с волной излучения 650 нм имеют №1А466 (2000). Массовое производство RC-СД было начато в 2001 г. корпорацией OsramOptosemiconductors, — см. Wirth R., Huber W., Karnutsch C., and Streubel K. "High-efficiency resonant-cavity LEDs emitting at 650 nm" Compound Semiconductors8, 49 (2002).

Ostermayer Jr. F. W., Kohl P. A., and Burton R.H. "Photoelectrochemical etching of integral lenses on GalnPAs/InP light-emitting diodes" Appl. Phys. Lett. 43, 642 (1983).

Saul R. H., Lee T. P., and Burrus C. A. "Light-emitting-diode device design" in Lightwave Communications Technology edited by W. T. Tsang, Semiconductors and Semimetals22 Part C, (Academic Press, San Diego, 1985).

Schubert E. F. and Hunt N. E. J. "Enhancement of spontaneous emission in microcavities" in Vertical Cavity Surface Emitting Lasers edited by C. Wilmsen, H. Temkin, and L. A. Coldren (Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1999).

Schubert E.F., Wang Y.-H., Cho A.Y., Tu L.-W., and Zydzik G.J. "Resonant- cavity light-emitting diode" AppL Phys. Lett.60, 921 (1992).

Schubert E.F., Hunt N.E.J., Micovic M., Malik R.J., Sivco D.L., Cho A.Y., and Zydzik G.J. "Highly efficient light-emitting diodes with microcavities" Science265, 943 (1994).

Streubel K. and Stevens R. "250 Mbit/s plastic fibre transmission using 660 nm resonant cavity light emitting diode" Electron. Lett.34, 1862 (1998).

Streubel K., Helin U., Oskarsson V., Backlin E., and Johansson A. "High brightness visible (660 nm) resonant-cavity light-emitting diode" IEEE Photonics TechnoLLett.10, 1685 (1998).

Whitaker T. "Resonant cavity LEDs" Compound Semiconductors 5 (4), 32 (May 1999).

 

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты