60.Опотоэлектр. Сис-мы Источники излучения.

Работа источников основана на различных физических явлениях (тепловое свечение, излучение при электрическом разряде в газе, электролюминесценция).Наиболее простыми источниками света в оптоэлектронных системах являются миниатюрные лампы накаливания, имеющие широкий спектр излучения, основная часть которого лежит в инфракрасной области. Вследствие инерционности они применяются на частотах не выше 10 Гц.В интегральной оптоэлектронике преимущественно применяют источники излучения, базирующиеся на явлениях люминесценции в полупроводниковых материалах. Наиболее перспективными считают излучатели, в которых люминесценцию вызывает электрическое поле или ток.

Электролюминесцентный излучатель (ЭЛИ) представляет собой конденсатор, в котором между обкладками (электродами) располагается люминофор. Один электрод прозрачный (слой окиси олова), второй – непрозрачный (рис.14.2).

Рис.14.2. Электролюминесцентный излучающий элемент

При приложении к кристаллу люминофора напряжения в нем образуется пространственный заряд. Электроны, попадая в область сильного поля этого заряда, приобретают энергию, достаточную для ионизации, в результате которой образуются электроны и дырки, способные рекомбинировать, излучая при этом свет.

Излучение происходит в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Электролюминесцентные конденсаторы имеют постоянные времени (0.1 ...1) мс, отличаются низкой стабильностью параметров и могут работать при постоянном или переменном напряжении электропитания.

Полупроводниковые излучающие светодиоды и лазеры основаны на эффекте излучательной рекомбинации в объеме «активной» области p-n перехода. При инжекции неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения переход испускает электромагнитные волны в видимом или инфракрасном диапазонах.

Светодиод представляет собой многослойную структуру, в которой при прохождении тока через переход во всех направлениях распространяется индуцируемое некогерентное излучение. Обычно используют излучение, выходящее ортогонально активной зоне (рис.14.3,а).

Рис.14.3. Структура светодиода (а) и его характеристики: спектральная (б), излучательная (в), вольтамперная (г)

Излучение светодиодов складывается из волн, посылаемых спонтанно рекомбинируемыми частицами независимо друг от друга, и вследствие этого имеет хаотичное изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны. Источник генерирует естественное излучение, обладающее довольно широким спектром (рис.14.3,б) с типичным значением =30 нм. Излучательную характеристику (рис.14.3,в) инжекционного светодиода, определяющую основные параметры, можно считать практически линейной. При токе I 100мА мощность излучения светодиода составляет единицы ватт. Вольтамперная характеристика светодиодов (рис.14.3,г), определяющая их электрические параметры, является характеристикой полупроводникового диода и на рабочем участке при u  U^ ее можно заменить линейной зависимостью u  U^*+ri с наклоном r  1…10 Ом. Это приводит к линейной управляющей характеристике светодиода P_и(u) на рабочем участке, что важно при использовании управляемых излучателей в аналоговых устройствах.

В цифровых устройствах в качестве управляемых источников света преимущественно применяют полупроводниковые инжекционные лазеры, имеющие когерентное излучение, сконцентрированное в узкой спектральной области. В лазерном диоде имеется резонатор (колебательный контур), осуществляющий обратную связь по световому потоку (рис.14.4,а).

накачка

Р_вых

P_вых

усилитель

Рис.14.4. Структура лазера (а), эквивалентная схема (б) и характеристика излучения (в)

Полупроводниковый лазер получает мощность (накачивается) непосредственно от источника электрической энергии напряжением u. Возникающий ток i приводит к повышению концентрации носителей в p-n переходе и их рекомбинации, вызывающей поток фотонов, т.е. излучение. При небольших токах накачки i излучение будет спонтанным (одиночным).

Наличие пространственного резонатора, ограниченного зеркалами, приводит к возвращению части световой энергии в переход и новому возбуждению. Это можно интерпретировать как наличие положительной обратной связи (рис.14.4,б), при которой часть выходной мощности P_вых подается на вход узкополосного (резонансного) усилителя, вызывая генерацию на определенной частоте (длине волны). При пороговом значении тока накачки I_п потери энергии в резонаторе будут компенсироваться усилением в контуре (будут выполнены условия самовозбуждения колебаний) и возникнет индуцированное когерентное излучение. Частота генерируемых колебаний определяется параметрами резонатора, а мощность излучения увеличивается приблизительно пропорционально току (рис.14.4,в).

Наклон характеристики на участке индуцированного излучения составляет примерно 0,2 Вт/мА, что при токе накачки i = 50…250 мА позволяет получить значения мощности излучения в десятки ватт. Отличительными особенностями лазерного диода является узкий спектр излучения   1нм (для светодиода   30нм) и малая угловая расходимость светового луча ( 20), что позволяет организовать эффективную связь с линиями передачи энергии на расстояние. Достоинствами лазера являются высокий КПД (до 50%) и быстродействие (порядка 10 нс); к недостаткам относят существенную нелинейность характеристики излучения и большие токи возбуждения.

Промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами занимают суперлюминесцентные диоды, которые имеют уменьшенную по сравнению со светодиодами спектральную ширину полосы излучения, но требуют для работы больших значений тока. Их часто используют в волоконно-оптических линиях связи.