9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

9.1. Источники оптического излучения

9.1.1. Светодиоды

9.1.2. Лазерные диоды

9.2. Приемники оптического излучения

9.3. Оптические разъемы

9.4. Сварка волокон

9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители и соединители

9.6. Волоконно-оптические фильтры

9.7. Системы WDM, мультиплексоры и демультиплексоры

9.8. Оптические изоляторы

9.1. Источники оптического излучения

         Наиболее распространенными источниками излучения являются полупроводниковые светодиоды (LED – Light Emisson Diod) и лазерные диоды (LD — Laser Diod). Выбор источника излучения определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы и диапазону рабочих температур. Как в светодиодах, так и в лазерных диодах генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов. В волоконной оптике используются только те из них, которые отвечают требованиям ВОСПИ: длины волн излучения должны лежать вблизи окон прозрачности кварцевых ОВ(0,85; 1,3 и 1,55 мкм), мощность излучения должна быть не менее 1 мкВт и т.д.

9.1.1. Светодиоды

Рис.9.1. Структура простейшего светодиода: 1 – активная область, 2 – металлические контакты

Светодиоды использовались, главным образом на первом этапе развития ВОСПИ. Они были достаточно надежны и дешевы, но обладали большой числовой апертурой и большой площадью излучения. Поэтому для эффективного ввода излучения в волокно светодиоды применялись для многомодовых ОВ. На рис. 9.1. приведена структура простейшего светодиода.

Фотоны образуются за счет рекомбинации электронов и дырок в так называемой активной зоне, расположенной возле р-n перехода. При пропускании тока в направлении Е электроны дырки перемещаются к границе p-n-перехода навстречу друг другу, а образовавшиеся фотоны распространяются в самых различных направлениях, показанных стрелками. Излучение светодиода носит характер ламбертовского источника света (рис. 9.2).

Рис. 9.2  Полусфера ламбертовского источника излучения (светодиод)

Принимая во внимание, что диаметр излучающей поверхности значительно меньше расстояния, на котором производят измерения, поверхностную плотность потока излучения ψ(ά), яркость L(ά), интенсивность излучения I(ά) и мощность источника излучения определяются следующими уравнениями:

ψ(α) = ψ₀cosα       [Вт/м²]                           (9.1),

L(α) = ψ₀×l_s²×cosα /A_s =L₀×cosα [Вт/)стерадиан*м²]            (9.2),

I(α) = ψ₀×l_s²×cosα = I₀cosα [Вт/м²]            (9.3),

P =  [Вт]                           (9.4),

где α – угол обзора, ψ₀ – плотность потока излучения на оси и l_s – расстояние между источником и детектором (радиус сферы). Из данных выражений видно, что параметры светового излучения в дальней области определяются функцией косинуса.

         Процесс генерации света в светодиоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией , равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большой энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме того, большая запрещенная зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозачными для излучаемых волн. Центральная длина волны λ₀ излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической зоны E_g и равна:

λ₀ = hc/E_g = 1.24/E_g                                             (9.5),

где h = 6,63×10^-34 Дж*сек. –постоянная Планка, c = 3×10⁸ м*сек^-1, E_g – энергия запрещенной энергетической зоны материала активного слоя, выраженная в эВ. В таблице 9.1 приведены значения запрещенной энергетической зоны и длины волн излучения светодиодов с различным составом активного слоя.

Таблица 9.1. Длины волн излучения различных материалов.