Главная | Обратная связь

Оптоэлектронные источники излучения

Выбор источника излучения оказывает значительное влияние на характеристики ВОП. Их характеризуют спектральный состав, мощность излучения, диаграмму направленности, уровень широкополосного оптического шума.

Характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и, в большинстве случаев, твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам),можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но можно сказать, что такими характеристиками могут обладать полупроводниковые излучатели.

Излучающие диоды

В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие излучающих диодов основано на явлении люминесценции, а точнее – электролюминесценции. Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. Например, при воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

История создания излучающих диодов ведется от 1923 г., когда О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение. Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GаАs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны, переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1 – 3 эВ [1,23:1,1 = 1,1 ¸ 1,23:0,4 = 3,1]. Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GаАs) и фосфида галлия (GаР): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения). Параметры некоторых светодиодов на основе различных полупроводников приведены в табл. 3.1.

Табл. 3.1

Параметры светодиодов

Цвет свечения	Длина волны, мкм	Материал полупроводника	Напряжение питания, В (при 10 мА)	Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый	0,565	GаР	2,2 ¸ 2,4	1,5 ¸ 8,0
Желтый	0,583	GаРАs	2,0 ¸ 2,2	3,0 ¸ 8,0
Оранжевый	0,635	GаРАs	2,0 ¸ 2,2	5,0 ¸ 10,0
Красный	0,655	GаАsР	1,6 ¸ 1,8	1,0 ¸ 2,0
ИК	0,900	GаАs	1,3 ¸ 1,5	100,0 ¸ 500,0

 

Из приведенной таблицы следует, что полосы излучения светодиодов достаточно узки (во второй графе табл. 3.1 указаны значения длин волн максимумов излучения) и имеют ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии – диаграммой направленности. Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки, дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны.

Инфракрасные светодиоды (λ = 1 мкм) удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к источникам излучения ОЭП. Отличительной особенностью светодиодов является узкая диаграмма направленности излучения, позволяющая вводить поток в световоды без вспомогательной оптики. Мощные ИК светодиоды позволяют получить плотность излучения, соизмеримую с аналогичным значением для ламп накаливания при гораздо меньшей потребляемой мощности. Однако при проектировании ОЭП необходимо учитывать наличие низкочастотного оптического шума с частотами до 1 кГц, что снижает эффективность применения светодиодов при измерении медленно меняющихся величин. Для некоторых мощных ИК светодиодов при изменении питающего тока трансформируется диаграмма направленности, что в свою очередь приводит к изменению функции преобразования ВОП. При оценке температурной стабильности ОЭП следует принимать во внимание температурную нестабильность светодиодов. Изменение температуры окружающей среды приводит к смещению положения максимума спектральной характеристики и изменению мощности излучения. Наибольшая стабильность мощности характерна для арсенид-галлиевых светодиодов, питаемых от генераторов тока.

На рис. 3.2, а при­ведена структура светодиода. Слой GaAs с р‑проводимостью охвачен с обеих сторон слоем р-типа Al_xGa_1-xAs и слоем n‑типа Al_yGa_1-yAs. Подобная конструкция называется двух­слойной гетероструктурой. Из слоя n-типа в слой GaAs инжек­тируются электроны, но, как показано на рис. 3.2, б, из-за энер­гетического барьера (гетеробарьера) в области гетероперехода слоя GaAs и слоя р-типа электроны не рассеиваются в слое р-типа, а накапливаются в слое GaAs и затем пе­реходят в зону валент­ных электронов, генери­руя спонтанное излуче­ние. Слой GaAs, излуча­ющий свет, называется активным слоем. А оба боковых слоя AlGaAs на­зываются слоями обо­лочки. Излучаемый свет, в связи с тем что энер­гия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии актив­ного слоя, не поглощается электронами валентной зоны слоев оболочки (т. е. излучение не используется для возбуждения этих электронов и пере­хода их в зону проводимости), а проходя через эти зоны, из­лучается наружу.

Как показано на рис. 3.3, а, существуют светодиоды боко­вого излучения, которые излучают свет перпендикулярно по­верхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD – Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые излучают свет параллельно поверхности перехода. Последние по сравнению с первыми обладают большой мощностью излучения и используются в качестве источников света для датчиков, в ко­торых не требуется когерентность света. Кроме того, они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая когерентность может оказаться помехой вследствие, например, шумов, индуцированных обратным лучом полупроводникового лазера.

а б

Рис. 3.2. Светодиод: а – структура; б – энергетические зоны

а б
Рис. 3.3. Структура светодиода с боковым излучением (а)
и повышенной яркости с торцевым излучением (б)

Одной из основных характеристик AlGaAs-светодиода явля­ется мощность излучаемого света (обычно от нескольких до 100 мВт при инжекционном токе 100 ¸ 200 мА и примерно про­порциональна ему). Длина волны центра спектра 730 ¸ 900 нм, а ширина спектра 30 ¸ 60 нм. Для повышения эффективности к светодиоду приклеи­вается миниатюрная линза или подложка светодиода обрабаты­вается в форме выпуклой линзы.

Светодиоды на основе соединения InGaAsP тоже в боль­шинстве случаев имеют двухслойную гетероструктуру. Их мощ­ность излучения 1 ¸ 3 мВт, длина волны центра спектра 1,1 ¸ 1,5 мкм, ширина спектра 100 ¸ 200 нм. Долговечность даже при температуре 60°С может превышать 10⁹ ч, т. е. надежность выше, чем у AlGaAs-светодиодов.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые лазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.

Лазеры

В лазерах, стоимость которых в сочетании с сопутствующей аппаратурой достаточно высока, сфокусированные узкие световые потоки, введенные в передающий световод, на несколько порядков превышают потоки других источников. Несмотря на то, что лазерные диоды позволяют получить большую мощность излучения, узкая диаграмма направленности ограничивает их применение. Для газовых лазеров и лазерных диодов характерны собственные амплитудные и фазовые модуляции, в частности из-за разной длины оптических волокон в жгутах приемных световодов, что налагает существенные ограничения при измерении малых изменений потока.

Основными отличительными чертами лазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0,05 ¸ 0,1, а для лазеров менее 0,000001. То есть длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер дает излучение практически строго на одной длине волны.

Лазер является источником излучения, у которого принцип действия и параметры излучаемого потока коренным образом отличаются от характеристик всех предшествующих источников, так что иногда их в оптоэлектронике называют «долазерными излучателями». Лазерное излучение относится к виду индуцированного излучения, предсказанного А.Эйнштейном в 1917 г. и реализованного в первых лазерах (1954 г.). В настоящее время основными видами лазеров являются газовые (на углекислом газе, гелий-неоновые, аргоновые), жидкостные (к жидкостным относятся и лазеры на стекле, которое аморфно, как и жидкости, поэтому считается переохлажденной жидкостью), твердотельные (на рубине, гранате, неодиме) и полупроводниковые (на кристаллах полупроводниковых материалов, например GаАs). Технические характеристики некоторых лазеров приведены в табл. 3.2.

Лазерное излучение физически возникает там, где в атомах или молекулах активного вещества под действием внешних сил (света, электрического поля и т.п.) образуется «перенаселенность» верхних энергетических слоев внешних электронных оболочек (зоны проводимости) возбужденными электронами, что приводит к активному образованию фотонов при естественном стремлении электронов перейти в нормальное, невозбужденное состояние (т.е. при переходе в валентную зону). Таким образом, в активном веществе (газовой среде, кристалле, полупроводнике) возникает постоянно пополняющееся множество квантов света – фотонов, колеблющихся, что важно отметить, с одной частотой, поскольку в однородном веществе при преодолении электроном запрещенной зоны выделяется одинаковое количество энергии.

Табл. 3.2

Характеристики лазеров

 

Марка лазера и его вид	Активное вещество	Длина волны излучения, мкм	Мощность (энергия) излучении	Режим работы	Расходимость луча	Потребляемая мощность, Вт
ЛГН-222 (газ.)	Не-Nе	0.6328	55,0 мВт	Непрер.	1,7 мин	200В
Сшнал (газ.)	Аr	0,3371	1000Вт	Импул.	Свед. нет	500В
Прометей (газ.)	СО-N-Не	10,6	50 Вт	Непрер.	Свед. нет	2000В
ГОР-0,2 (тверд.)	Рубин	0,6943	0,2 Дж	Импул.	20 мин	60 в
ГОС-ЭОМ (т/ж)	Стекло + Nd)	1,0600	30 Дж	Непрер.	10 мин	1200В
Н2А2 (полупр.)	Gа-Аs	0,85	3,0/0,1 Вт	Импул. непрер.	15´20	Сведений нет
ПКГ (полупр.)	Gа-Аs	0,85	4,0 Вт	Импул.	20´20	Сведений нет

 

Наличие колебаний одной и той же частоты является условием (не единственным) получения когерентного излучения. Следующая задача – добиться однонаправленного распространения этих колебаний. Это достигается с помощью использования резонаторов (как правило, резонаторов Фабри-Перо). Резонатор Фабри-Перо представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми, отражаясь от этих зеркал, перемещаются в активной среде фотоны, генерируемые внешним возбуждением. Направление движения каждого из фотонов, при их появлении, определяется случайным образом и непредсказуемо. Вследствие этого многие фотоны бесполезно покидают активную среду, образуя вокруг нее свечение (в лучшем случае, какой-либо электрон, «захватив» энергию такого фотона, переходит в зону проводимости). Лишь те из фотонов, направление движения которых оказалось параллельным оси резонатора остаются в активной среде и участвуют в образовании лазерной: излучения. Эти фотоны, отражаясь десятки и сотни раз от зеркал резонатора, пробегают вдоль активной среды, способствуя генерации новых фотонов.

Суть индуцированного (вынужденного) излучения заключается в том, что в условиях «перенаселенности» верхних энергетических уровней про летающие мимо фотоны могут «сбивать» возбужденные электроны с этих уровней на нижние, сохраняясь при этом сами. «Сбитый» электрон порождает новый фотон; таким образом, вместо одного фотона появляется два, что и способствует нарастанию световой потока. Это нарастание числа фотонов – важное обстоятельство в зарождении лазерного излучения.

Чем больше зарождается фотонов, тем большее их количестве остается в пространстве резонатора, участвуя в накоплении световой энергии. Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемого лазером излучения укладывалась в нем целое число раз. Таким образом, резонатор решает две важные задачи: организует однонаправленное движение фотонов вдоль оси лазера и селектирует совпадающие по длине волны и фазе колебания (остальные затухают в процессе постоянного наложения волн друг на друга). Так возникает когерентное излучение.

Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным (в случае непрерывного излучения), или/и у выходного окна лазера устанавливается оптический затвор. При наличии затвора лазер может накапливать световую энергию, что бы затем выпустить ее одномоментно в виде мощного импульса света – импульсные лазеры дают лазерный луч, намного превышающий по мощности непрерывное излучение. В противном случае после накопления световой энергии, достаточной для преодоления непрозрачности зеркала, лазер начинает излучать свет, набирая мощность в луче до уровня насыщения в установившемся процессе работы.

Таким образом, лазерное устройство должно содержать активное вещество (в котором зарождается излучение), резонатор и источник возбуждения активного вещества. Для газовых лазеров таким источником возбуждения служит газоразрядная трубка, для твердотельных – мощный источник света (импульсная лампа, освещающая стержень кристалла), для полупроводниковых – прямой электрический ток через р-n-переход полупроводника. Каждый из этих источников приводит электроны атомов и молекул активного вещества в возбужденное состояние (на языке лазерщиков это называется «накачкой»).

На рис. 3.4 представлен пример конструкции газового лазера. Длина резонатора около 20 см. В середине резо­натора расположена тонкая трубка длиной примерно 10 см и внутренним диаметром около 1 мм. Внутри этой трубки находятся газы Не и Ne при соотношении парциальных давлений He:Ne = 5:l и общем давлении вакуума примерно 0,4 кПа (3 торр). Если приложить электрическое напряжение 1 ¸ 3 кВ, то возникает тлеющий разряд с током около 5 мА.

Энергетические уровни неона, соответствующие генерации лазера, показаны на рис. 3.5. И верхний и нижний энергетиче­ские уровни отстоят от базового очень «далеко» (18,5 эВ), а разница между ними сравнительно невелика
(1,95 эВ), по­этому число распределений инверсий на этих уровнях мало. Сле­довательно, если даже с помощью разряда добавлять электри­ческую энергию извне, то все равно число возникающих распре­делений инверсий между верхним и нижним уровнями мало. Гелий примешивается с тем, чтобы увеличить это число. Ко­эффициент усиления генерации здесь 10^‑4 ¸ 10^‑3 см^-1, что по сравнению с полупроводниковыми лазерами слишком мало.

На концах газоразрядной трубки (см. рис. 3.4) в качестве окон приклеиваются или привариваются оптические полирован­ные стекла под углом
q_B = tg^-1n_B к оси трубки (п_B – коэффи­циент преломления стекла). Этот угол называется углом Брюстера. При таком угле коэффициент отражения для линейного поляризованного света внутри становится равным нулю, поэтому будет генерироваться свет только этой поляризации.

Направленность излучения (расходимость луча) напрямую зависит от протяженности тела активного вещества (расстояния между зеркалами резонатора). Чем больше это расстояние, тем меньше угол расходимости и, следовательно, тем более узконаправленным является лазерный луч. Длина газоразрядной трубки газового лазера составляет, как правило, десятки сантиметров (нередко и более метра), что позволяет получить луч с расходимостью в несколько угловых минут (см. данные табл. 3.2). Современные технологии выращивания кристаллов позволяют получать стержни длиной 250 ¸ 400 мм, что дает возможность достигать в твердотельных лазерах расходимости луча в десятки угловых минут. В полупроводниковых же лазерах используются кристаллы размером 0,5 ´ 0,5 мм (и менее), поэтому расходимость луча, а точнее полоски излучения, намного больше 20 ¸ 30 угловых градусов.

Рис. 3.4. Схема гелий-неонового лазера

Рис. 3.5. Энергетические уровни неона при генерации гелий-неоно­вого лазера

Полупроводниковый лазер в чем-то похож на излучающий диод (часто его и называют лазерным диодом). Обладая привычной диодной структурой, при небольших прямых токах он и работает как обычный излучающий диод. Но две противоположные грани кристалла делаются зеркально отражающими (резонатор Фабри-Перо), и при увеличении прямого тока до определенного порогового значения (ранее для этого требовались десятки ампер и, как следствие, серьезные меры по охлаждению), когда создается «инверсия населенностей» (превышение числа возбужденных электронов над невозбужденными на внешних электронных оболочках атомов и молекул), появляется настоящее когерентное лазерное излучение.

Каждый вид лазера имеет свои достоинства и соответственно сферу применения. Газовые лазеры, обладая наибольшей мощностью излучения, применяются в полиграфии в устройствах записи изображения непосредственно на печатную форму, так как они способны с приемлемой скоростью выжигать слой пробельного материала, обнажая печатающие элементы. Из-за больших размеров они используются в стационарном крупногабаритном оборудовании. Твердотельные лазеры довольно компактны и применяются в рекордерах среднего размера для записи изображения на пленки, пластмассы и другие светочувствительные и выжигаемые материалы (с низким коэффициентом теплопроводности). Лазерные диоды используются в записывающих головках лазерных принтеров, цифровых печатных машин, а также в оптических линиях связи.

Для получения лазерных колебаний на основе полупроводникового материала необходимо поместить его в резонатор Фабри-Перо. Обычно создается двухслойная гетероструктура (рис. 3.6, а), в которой электроны запираются в активном слое, а обе ее открытые торцевые поверхности, перпендикуляр­ные оси светового луча (оси z на рисунке), делаются плоско­стями спайности или с помощью химического травления пре­вращаются в зеркала, и тем самым формируется резонатор Фабри-Перо.

Рис. 3.6. Структура полупроводникового лазера

Длина резонатора L_z обычно 300 мкм. С другой стороны, поскольку среднее расстояние рассеяния (глубина диффузии) инжектируемых в активный слой электронов равна 1 ¸ 2 мкм, то нет смысла в том, чтобы толщина d активного слоя была выше. Кроме того, как уже отмечалось, желательно, чтобы из поперечных мод могли генерироваться только моды самого низкого порядка, поэтому толщина d выбирается поменьше, обычно 0,1 мкм.

В направлении оси x ширина w активного слоя делается также небольшой, чтобы в нем запирались инжектируемые электроны. Здесь, как и в случае с оптическим волокном, создаются условия, при которых могут генерироваться поперечные моды только самого низкого порядка. Если выбрать w не более 0,5 мкм, то эти условия соблюдаются, но на практике из-за технологических трудностей ширина до обычно не менее 2 мкм.

Таким образом, электроны можно запереть в резонаторе типа волновода с прямоугольным поперечным сечением, ограниченным размерами w и d вдоль осей x и у.В двухслойной гетероструктуре, приведенной на рис. 3.6, коэффициент преломления активного слоя больше коэффициента преломления обоих прилегающих к нему слоев, поэтому активный слой соответствует оптическому во­локну, а свет, запертый в нем, распространяется, как в волно­воде. Практически для света коэффициент удержания в активном слое всего лишь 0,2, но даже этого вполне достаточно, чтобы возникла лазерная генерация.

Таким образом, в резонаторе волноводного типа свет рас­пространяется с частичным его удержанием и благодаря инду­цированному излучению появляются лазерные колебания. По­добный лазер называется полупроводниковым с двухслойной гетероструктурой полоскового типа.