Методичка

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)”

Малышев С.А., Чиж А.Л., Василевский Ю.Г., Гришанов В.А., Ерошенко М.Н., Манего С.А.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по курсу “Оптоэлектроника”

для студентов специальности “Микроэлектроника”

Новочеркасск 2007

2

ВВЕДЕНИЕ

Оптоэлектроника – это научное направление, изучающее физические принципы управления оптическими и электронными процессами в различных материальных средах с целью передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации. Оптоэлектроника изучает взаимное преобразование электрических и оптических сигналов в веществе, на основе чего создаются элементы и устройства обработки информации – приборы, в которых основные физические процессы протекают с участием фотонов: инжекционные лазеры, фотодиоды, светодиоды, оптроны. В настоящее время оптоэлектронные приборы применяются в волоконно-оптических системах связи, в системах дистанционного управления теле- и радиоаппаратурой, в системах автоматизации и измерительной технике для коммутации электрических сигналов и развязки электронных узлов, в осветительной технике, в измерительной технике и бытовой электронике для индикации и отображения информации. В данном лабораторном практикуме рассматриваются следующие оптоэлектронные приборы:

−инжекционный квантоворазмерный InGaAsP/InP лазер с распределенной обратной связью, работающий на длине волны 1550 нм, для различных волоконно-оптических систем;

−InGaAs/InP p-i-n фотодиод, работающий в спектральном диапазоне 800÷1700 нм, для различных волоконно-оптических систем;

−InGaAs/InP лавинный фотодиод, работающий в спектральном диапазоне 800÷1700 нм, для волоконно-оптических линий связи;

−квантоворазмерный GaAlAs сверхяркий светодиод, работающий на длине волны 660 нм (красный цвет), для индикации и отображения информации

в измерительной технике и бытовой электронике.

Данный лабораторный практикум направлен на развитие у студентов знаний о принципах функционирования, конструкциях и характеристиках современных полупроводниковых оптоэлектронных приборов и навыков работы с ними. Практикум представляет собой цикл лабораторных работ по измерению ватт-амперных характеристик инжекционного лазера при различных температурах, фотоэлектрических и частотных характеристик p-i-n фотодиода, фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода, а также токовой характеристики силы излучения светодиода.

При составлении лабораторного практикума авторы полагали, что студенты знакомы с физикой работы полупроводниковых оптоэлектронных приборов, поэтому при изложении теоретической части приводились лишь основные физические явления и принципы, лежащие в основе работы того или иного оптоэлектронного прибора. Желающие более подробно изучить конструктивные особенности полупроводниковых оптоэлектронных приборов могут обратиться к научной литературе, список которой приведен в конце лабораторного практикума. Также в конце лабораторного практикума приведены краткие сведения из теории измерений, необходимые для оценки погрешности результатов измерений.

3

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ИЗМЕРЕНИЕ ВАТТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ”

1.1. Задачи лабораторной работы

Измерить ватт-амперную характеристику инжекционного лазера при различных температурах, построить зависимость порогового тока и крутизны ватт-амперной характеристики от температуры.

1.2. Основные характеристики и параметры инжекционных лазеров

Излучение инжекционного лазера в режиме непрерывной генерации описывается спектральной характеристикой, диаграммой направленности и ватт-амперной характеристикой.

1.2.1. Спектральная характеристика отражает зависимость спектральной плотности мощности излучения инжекционного лазера от длины волны

(Рис. 1.1).

Центральная длина волны излучения λ0 – длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности мощности излучения инжекционного лазера.

Ширина спектра излучения Δλ1/2 – интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения инжекционного лазера составляет не менее половины максимальной.

Рис. 1.1. Относительная спектральная характеристика инжекционного лазера

4

Современные инжекционные лазеры на основе соединений AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI и их твердых растворов, работающие при комнатной температуре, перекрывают спектральный диапазон длин волн от 0.38 мкм до 4.5 мкм. Типичные значения ширины спектра излучения Δλ1/2 для современных инжекционных лазеров с резонатором Фабри-Перо составляют 0.3 3 нм, а для инжекционных лазеров с распределенной обратной связью – 0.001 0.01 нм.

1.2.2. Диаграмма направленности отражает зависимость силы излучения инжекционного лазера от направления излучения (Рис. 1.2).

Угол излучения в плоскости p-n перехода θ|| – плоский угол, содержащий фотометрическую ось, лежащий в плоскости p-n перехода и образуемый направлениями, в которых сила излучения составляет не менее половины максимальной.

Угол излучения в плоскости, перпендикулярной к p-n переходу θ – пло-

ский угол, содержащий фотометрическую ось, лежащий в плоскости, перпендикулярной к p-n переходу и образуемый направлениями, в которых сила излучения составляет не менее половины максимальной.

1.0

Рис. 1.2. Диаграмма направленности инжекционного лазера

В связи с малыми размерами объемного резонатора направленность излучения инжекционных лазеров получается невысокой, причем различной в плоскости p-n перехода и в плоскости перпендикулярной к p-n переходу. Типичные значения углов излучения θ|| в плоскости p-n перехода для современных инжекционных лазеров составляют порядка 1 10°, а для углов излучения θ в плоскости, перпендикулярной к p-n переходу, – порядка 10 40°. Следует отметить, что, если инжекционный лазер изготовлен в виде модуля с

5

оптоволоконным выводом, то диаграмма направленности теряет смысл и не приводится в характеристиках к лазерному модулю. Вместо нее приводят тип оптического волокна, состыкованного с инжекционным лазером, и тип воло- конно-оптического разъема на конце оптоволоконного вывода.

1.2.3. Ватт-амперная характеристика отражает зависимость выходной мощности излучения инжекционного лазера от тока накачки (Рис. 1.3).

Пороговый ток Ith – ток накачки, при превышении которого излучение инжекционного лазера становится когерентным.

Крутизна ватт-амперной характеристики η определяет эффективность модуляции мощности излучения Popt инжекционного лазера током накачки ILD и равняется:

Типичные значения порогового тока для современных инжекционных лазеров составляют единицы миллиампер. Типичные значения крутизны ватт-амперной характерстики для современных инжекционных лазеров лежат в пределах 0.05 0.3 Вт/А. В общем случае, при увеличении температуры пороговый ток увеличивается, а крутизна ватт-амперной характеристики уменьшается.

1.3. Фотоэлектрические процессы в инжекционном лазере

Наиболее распространенным типом полупроводниковых лазеров являются инжекционные лазеры (их также называют лазерными диодами), в которых лазерная активная среда возникает в результате инжекции свободных

6

носителей заряда в область p-n перехода. Под действием напряжения прямого смещения уменьшается высота потенциального барьера p-n переход, и в область перехода инжектируются основные носители (Рис. 1.4). При небольших токах инжекции излучение определяется исключительно спонтанными переходами из зоны проводимости в валентную зону. Такое некогерентное излучение называется люминесценцией. Некоторая часть фотонов движется вдоль р-n перехода и может вызвать акты индуцированного излучения. При больших токах инжекции доля индуцированного излучения возрастает и наблюдается эффект суперлюминесценции. Он проявляется в увеличения интенсивности излучения в плоскости р-n перехода. Спектр излучения попрежнему широк, однако он становится неравномерным, с большим числом максимумов и минимумов. Поместив активную среду в резонатор, можно увеличить плотность мощности излучения и получить когерентное излучение.

инжекция

Набор квантовых ям

Рис. 1.4. Зонная диаграмма инжекционного квантоворазмерного InGaAsP/InP лазера

При рекомбинации электронов и дырок выделяется энергия, равная разности энергетических состояний носителей. Выделяемая энергия может быть излучена в виде фотона или безызлучательно передана кристаллической решетке. Излучательная рекомбинация может осуществляться различными способами: при переходах электронов из зоны проводимости в валентную зону или на примесный акцепторный уровень, при переходах с донорного уровня в валентную зону или на акцепторный уровень. На выбор материала для инжекционного лазера существенно влияют микроструктура поля кристаллической решетки и определяемая ею структура границ энергетических зон. При квантовых переходах, помимо закона сохранения энергии, выполняется также закон сохранения импульса. Импульс фотона по сравнению с импульсом электрона имеет ничтожно малую величину. Поэтому, если импульсы электрона в начальном и конечном состояниях одинаковы, то кристаллическая решетка не участвует во взаимодействии. Квантовые переходы, при которых импульс частиц не меняется, называются прямыми. Наоборот, при непрямых переходах электроны изменяют свой импульс, и тогда во взаимодействии участвует кристаллическая решетка, обеспечивающая выполнение закона сохранения импульса. Вероятность непрямых переходов существенно

7

меньше, чем прямых, поскольку при рекомбинации электрона и дырки кристаллическая решетка должна одновременно получить или передать импульс, то есть обладать определенной локальной интенсивностью колебаний. Очень часто непрямые переходы бывают безызлучательными, когда вся энергия, выделяющаяся при рекомбинации, передается кристаллической решетке. В настоящее время для создания инжекционных лазеров используются только такие материалы, в которых вследствие специфической структуры границ

энергетических зон возможны прямые переходы. К ним относятся соединения АIIIBV, AIIBVI AIVBVI и их твердые растворы. Германий и кремний не

удовлетворяют этому условию.

Инжекционные лазеры существенно отличаются от других типов лазеров (твердотельных или газовых):

−квантовые переходы в инжекционных лазерах обусловлены зонной структурой материала, поэтому в них достигается большое внутренне усиление;

−инжекционные лазеры имеют малые размеры (до 100 мкм в длину, порядка нескольких микрометров в ширину, и доли микрометра толщиной), поэтому они имеют широкую диаграмму излучения;

−лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод, что позволяет проводить модуляцию мощности излучения лазерного диода за счет модуляции тока накачки;

−наличие встроенного оптического резонатора, образованного либо гранями кристалла (лазерный диод с резонатором Фабри-Перо, Рис. 1.5), либо с помощью нанесения дифракционной решетки на поверхности кристалла (лазерный диод с распределенной обратной связью, Рис. 1.6).

Современные инжекционные лазеры изготавливаются на основе многослойной структуры из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, образующих p-n переход. В центре располагают слои с более узкой шириной запрещенной зоны и с более высоким показателем преломления по сравнению с наружными слоями, что приводит к ограничению носителей заряда с помощью потенциальных барьеров на гетерограницах (Рис. 1.4) и ограничению фотонов с помощью эффекта полного отражения излучения в центре лазера. Следует отметить, что квантоворазмерные гетероструктуры, в которых толщина слоев порядка нескольких нанометров, обладают наибольшим усилением благодаря лучшему ограничению носителей заряда и фотонов. Набор квантовых ям используется для умножения усиления, что приводит к снижению порогового тока квантоворазмерного инжекционного лазера. Типичное число квантовых ям в современных инжекционных лазеров составляет от 3 до 10.

Рис. 1.7 показывает схема включения лазерного диода в СВЧ диапазоне и на низких или высоких частотах. Изменение температуры приводит к незначительному изменению длины волны излучения и порогового тока, поэтому на практике применяют специальные меры по стабилизации мощности излучения инжекционного лазера.

8

Rdc

Rdc

Рис. 1.7. Схема включения лазерного диода: а) на низких или высоких частотах, б) в СВЧ диапазоне

9

1.4. Объект исследования

В данной лабораторной работе исследуется волоконно-оптический лазерный модуль, который представляет собой кристалл инжекционного квантоворазмерного InGaAsP/InP лазера с распределенной обратной связью, соединенный с одномодовым оптическим волокном и помещенный в герметичный металлический корпус (Рис. 1.8). Для стабилизации температуры и мощности излучения инжекционного лазера внутри металлического корпуса устанавливается элемент Пельте с терморезистором и фотодиод обратной связи (Рис. 1.9). Центральная длина волны излучения волоконно-оптического лазерного модуля равна 1550 нм. Резонатор на основе распределенных брэгговских отражателей обеспечивает одномодовый режим работы лазера с подавлением побочных мод более 40 дБ и шириной спектра излучения менее 0.01 нм. Исследуемый волоконно-оптический лазерный модуль предназначен для волоконно-оптических систем связи и измерительных систем.

Рис. 1.8. Внешний вид волоконно-оптического лазерного модуля

Терморезистор

Рис. 1.9. Конструкция волоконно-оптического лазерного модуля

1.5. Описание лабораторной установки и методов измерения

Рис. 1.10 показывает блок-схему лабораторной установки, в состав которой входят:

−стенд для измерения ватт-амперных характеристик инжекционного лазера при различных температурах;

−вольтметр универсальный портативный В7-58/2;

−персональный компьютер с COM-портом и с интерфейсной программой, управляющей работой стенда.

10