TTS Moduł 10

Plik:TTS M10 Slajd1.PNG

---

Plik:TTS M10 Slajd2.PNG

---

Plik:TTS M10 Slajd3.PNG

Aby możliwe było zrozumienie zasady działania półprzewodnikowych źródeł światła potrzebna jest pewna wiedza o zjawiskach fizycznych zachodzących wewnątrz tych przyrządów. Zacznijmy więc od omówienia tych zjawisk. Pierwsze zagadnienie stanowią mechanizmy oddziaływania fotonów z atomami ośrodka. Rozważmy więc ośrodek w którym atomy mogą przyjmować tylko dwie, dyskretne wartości energii. Takie wartości energii nazywamy stanami lub poziomami energetycznymi. Gdy ośrodek posiadający dwa stany energetyczne o energiach $E_1$ i $E_2$ takich, że $E_1<E_2$ oświetlimy fotonem o energii $hf=E_2-E_1$, wtedy foton ten może zostać pochłonięty przez atom o niższej energii $E_1$. Energia pochłoniętego fotonu przekazywana jest atomowi – przyjmuje on wtedy energię $E_2$ (nazywamy to przejściem na wyższy poziom energetyczny). Zjawisko to schematycznie pokazane na rys.a) nosi nazwę absorbcji promieniowania. W przyrodzie każdy układ dąży do uzyskania minimum energii. Pobudzony atom (na wyższym poziomie energetycznym) dąży więc do powrotu na niższy poziom energetyczny. Po pewnym czasie (średni czas przebywania atomu na wyższym poziomie energetycznym nazywamy czasem życia poziomu) atom wróci na podstawowy poziom energetyczny $E_1$. Aby jednak powrócić na ten poziom musi on pozbyć się różnicy energii $\mathrm{\Delta }E=E_2-E_1$. Tę różnicę może przekazać w postaci mało nas interesującej np. oddając ją ośrodkowi w postaci energii kinetycznej, ale może też oddać ją wypromieniowując foton. Wypromieniowany foton unosi różnicę energii między poziomami, a więc energia fotonu $hf=\mathrm{\Delta }E=E_2-E_1$. Zjawisko to nosi nazwę emisji spontanicznej i jest podstawą działania diod LED. Co jednak się stanie, gdy pobudzony atom (na wyższym poziomie energetycznym) oświetlimy fotonami o energii $hf=\mathrm{\Delta }E?$ W takim przypadku absorbcja promieniowania nie jest możliwa (atom posiada już energię $E_2$). Fotony, którymi oświetlamy ośrodek mogą jednak wywoływać przejście atomu na niższy poziom energetyczny dużo wcześniej niż by to się stało poprzez emisję spontaniczną. Podczas przejścia atomu na niższy poziom energetyczny wywołanego przez przelatujący foton energia uwalniana jest w postaci dodatkowego fotonu. Proces ten nosi nazwę emisji wymuszonej i jest podstawą działania laserów. Emitowany w trakcie tego procesu foton posiada specyficzne właściwości. Otóż jest on identyczny jak foton, który wywołał to zjawisko. Posiada więc dokładnie taką samą energię, porusza się w tym samym kierunku, a traktowany jak fala elektromagnetyczna posiada tę samą długość fali i fazę. O takim promieniowaniu mówimy, że jest koherentne. Po zajściu zjawiska emisji wymuszonej dostajemy dwa fotony zamiast jednego – oświetlającego. Mamy więc tu do czynienia z rodzajem wzmocnienia światła.

---

Plik:TTS M10 Slajd4.PNG

Do tej pory zajmowaliśmy się jednym atomem w ośrodku. Jednak w typowym układzie jest ich wiele. W ośrodku o dwóch poziomach energetycznych, w stanie równowagi termicznej część atomów ośrodka $N_1$ przyjmuje energię $E_1$, a część $N_2$ energię $E_2$. Stosunek $N_2$ do $N_1$ określa zależność nazywana rozkładem Boltzman’a. Z rozkładu tego wynika, że na wyższym poziomie energetycznym w stanie równowagi znajduje się mniej atomów niż na poziomie o niższej energii. Ponadto im większa jest różnica energii pomiędzy poziomami tym mniej atomów znajduje się na wyższym poziomie energetycznym. Gdy oświetlimy ośrodek znajdujący się w stanie równowagi termicznej fotonami o energii $hf=\mathrm{\Delta }E$ wtedy fotony częściej spotykać będą atomy o niższej energii niż atomy pobudzone. Częściej więc zachodzić będzie zjawisko absorpcji niż zjawisko emisji wymuszonej. Taki ośrodek pochłania promieniowanie. Gdy jednak zaburzymy równowagę i w jakiś sposób sprawimy, że atomów, które mogą oddać energię (a więc znajdują się na wyższym poziomie energetycznym) będzie więcej niż tych na poziomie podstawowym, wtedy doprowadzimy do stanu nazywanego inwersją obsadzeń. Gdy w ośrodku występuje inwersja obsadzeń wtedy przelatujące przez ten ośrodek fotony częściej napotykają atomy pobudzone niż atomy w stanie podstawowym, częściej więc zachodzi emisja wymuszona niż absorpcja promieniowania. Taki ośrodek wzmacnia promieniowanie optyczne.

---

Plik:TTS M10 Slajd5.PNG

Dogodnym ośrodkiem, który możemy wykorzystać do budowy źródła światła jest materiał półprzewodnika, zaś konstrukcją, która to umożliwia jest złącze p-n. W półprzewodniku nośniki: elektrony i dziury nie mogą przyjmować dowolnych energii. Istnieje bowiem w nim zakres energii zabronionych dla nośników nazywany przerwą zabronioną. Energie większe niż energie przerwy zabronionej nazywamy pasmem przewodnictwa, a granicę pomiędzy przerwą zabronioną a pasmem przewodnictwa oznaczamy przez $E_C$. Zakres energii leżący poniżej przerwy zabronionej, a granicę pomiędzy tymi zakresami oznaczamy przez $E_V$. Elektrony i dziury w półprzewodniku mogą przyjmować tylko energie z pasm: przewodnictwa i walencyjnego. Po zetknięciu ze sobą dwóch obszarów półprzewodnika o przeciwnych typach domieszkowania na ich styku powstaje bariera potencjału, która uniemożliwia swobodny przepływ nadmiarowych nośników pomiędzy tymi obszarami. W obszarze typu „n” mamy więc niemal same elektrony, w obszarze typu „p” niemal same dziury (rys.a). Po przyłożeniu do struktury napięcia w kierunku przewodzenia następuje przepływ nośników pomiędzy obszarami. I tak: elektrony z obszaru typu „n” wędrują do obszaru typu „p”, a dziury z obszaru „p” do obszaru „n” (rys.b). Wtedy w tym samym miejscu pojawiają się oba typy nośników, mogą więc rekombinować. Rekombinacja pary elektron-dziura jest w zasadzie zajęciem przez elektron o energii z pasma przewodnictwa miejsca w paśmie walencyjnym. Wiąże się to ze zmianą energii elektronu. Tej energii elektron musi się pozbyć. Może to zrobić na dwa sposoby: oddając ją ośrodkowi w postaci ciepła lub wypromieniowując foton. Te dwa sposoby oddania energii nadają nazwę procesowi rekombinacji. I tak, gdy rekombinacji towarzyszy generacja fotonu nazywamy ją rekombinacją promienistą, zaś w przeciwnym przypadku rekombinacją niepromienistą. Niestety nie we wszystkich półprzewodnikach zachodzi wydajna rekombinacja promienista. Do tego w półprzewodnik musi się charakteryzować prostą przerwą energetyczną. I tak najbardziej rozpowszechniony, najtańszy i najlepiej poznany półprzewodnik – krzem Si posiada skośną przerwę energetyczną – rekombinacja promienista zachodzi w nim niezmiernie rzadko – nie nadaje się on więc do budowy źrodeł promieniowania. Odpowiednim materiałem jest za to np. arsenek galu GaAs. Energia (a więc i długość fali) fotonów wypromieniowanych w trakcie rekombinacji zależy od różnicy energii elektronu i dziury przed rekombinacją, czyli od szerokości przerwy zabronionej. Różne półprzewodniki posiadają różne szerokości przerwy zabronionej. Przez dobór materiału możemy więc otrzymać odpowiednią, interesującą nas długość fali produkowanego promieniowania.

---

Złącza p-n produkujące światło nazwano diodami LED (od słów Light Emitting Diode). W diodach nośniki, które rekombinują są zastępowane nośnikami dopływającymi z kontaktów. Jednocześnie liczba produkowanych fotonów jest proporcjonalna do liczby rekombinujących nośników. Wynika stąd, że moc optyczna promieniowana przez diodę LED jest proporcjonalna do prądu diody. Ta zależność przestaje być słuszna dla dużych prądów polaryzacji diody. Ponadto efektywność generacji promieniowania optycznego w diodzie spada wraz ze wzrostem temperatury. Szerokości pasm przewodnictwa i walencyjnego są niezerowe. Skoro tak, to znajdziemy nośniki posiadające różne energie z zakresu tych pasm. Te nośniki mogą rekombinować w różnych konfiguracjach. Możliwa jest więc taka kombinacja, w której różnica energii nośników jest sporo większa od przeciętnej, jak też i taka, w której jest ona od przeciętnej znacznie mniejsza. Generowane przez diodę LED promieniowanie będzie więc zawierać fotony o różnych energiach, a co za tym idzie, różnych długościach fali. Kształt widma promieniowania zależy od funkcji określającej prawdopodobieństwo napotkania pary elektron-dziura o danej różnicy energii. Ponieważ szerokości pasm w półprzewodniku są stosunkowo duże to widmo promieniowania diody LED jest szerokie. Kolejnym problemem wymagającym omówienia jest pasmo pracy diody. W przypadku włączania i wyłączania diody LED istotnym ograniczeniem pasma pracy jest mechanizm wyłączania diody. Gdy włączymy przyrząd, czyli gdy „napełnimy” go nadmiarowymi nośnikami, które mają rekombinować produkując fotony, wtedy jedynym mechanizmem usuwającym te nośniki jest rekombinacja samoistna. Czas opróżniania diody zależy więc od jej prędkości czyli od czasu życia nośników. Ten właśnie proces ogranicza szybkość wyłączania diody, a więc i pasmo pracy. Typowe wartości pasma pracy sięgają kilkuset MHz. Ostatnią właściwością diody LED jest jej kątowa charakterystyka promieniowania. W przypadku tego przyrządu charakterystyka kątowa promieniowania jest bardzo szeroka. Wynika to stąd, że kierunek, w jakim emitowany jest foton podczas rekombinacji nie jest niczym wymuszony. Diody LED mają więc małą sprawność wprowadzania światła do światłowodu o małej średnicy. To zwykle ogranicza ich stosowanie do światłowodów wielomodowych. Diody LED pomimo ich silnych ograniczeń posiadają jednak niezwykle istotną zaletę, jaką jest ich niska cena. Ta dodatkowa – ekonomiczna cecha, w połączeniu z ich właściwościami technicznymi sprawia, że ich naturalnym polem zastosować są nadajniki krótkodystansowych łączy optycznych opartych o światłowody wielomodowe o stosunkowo niewielkich przepływnościach. Przykładem takich łączy są łącza w sieciach komputerowych gdzie odległości rzędu kilometra i przepływności na poziomie 100 MB/s pozwalają na wykorzystanie wszystkich zalet tego rozwiązania.

---

Aby zbudować laser półprzewodnikowy potrzebne są dwa elementy: ośrodek aktywny (wzmacniający) i pętla sprzężenia zwrotnego. W laserach telekomunikacyjnych ośrodek aktywny zbudowany jest z półprzewodnika. Jak to zostało pokazane, w półprzewodniku występuje dwupoziomowy układ stanów energetycznych. Zachodzą w nim wszystkie pokazane już procesy oddziaływania światła z materią: absorpcja promieniowania, emisja spontaniczna i emisja wymuszona. W ośrodku wzmacniającym prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej musi być większe od prawdopodobieństwa absorpcji. Padający foton częściej więc musi napotykać gotową do rekombinacji parę elektron-dziura niż niepobudzony atom. Tak sytuacja możliwa jest tylko przy bardzo wysokim domieszkowaniu półprzewodnika. Tak wysokim, żeby poziom Fermiego w półprzewodniku znalazł się poza przerwą zabronioną. Takie półprzewodniki nazywamy półprzewodnikami zdegenerowanymi. Złącze p-n zbudowane z półprzewodnika silnie domieszkowanego o prostej przerwie zabronionej stanowi dobry ośrodek aktywny. Sprzężenie zwrotne można uzyskać na kilka sposobów. Najprostszy z nich zakłada użycie dwóch zwierciadeł po obu stronach ośrodka aktywnego. Taka konstrukcja nazywa się rezonatorem Fabry-Perot. Rozważmy więc układ wzmacniający umieszczony w rezonatorze Fabry-Perot’a. Jeżeli w takim układzie w pewnym jego miejscu dokona się akt emisji promieniowania i kierunek promieniowania będzie prostopadły do płaszczyzn zwierciadeł, wtedy fala elektromagnetyczna, jaką jest światło, pobiegnie przez ośrodek aktywny w kierunku jednego ze zwierciadeł. Następnie odbije się od niego i wróci do ośrodka aktywnego. W ośrodku aktywnym zachodzi zarówno pochłanianie (z powodu zjawiska absorpcji), jak i wzmacnianie (dzięki zjawisku emisji wymuszonej). Po przejściu przez ośrodek odbije się od drugiego zwierciadła i wróci do punktu wyjścia. Jedno ze zwierciadeł jest częściowo przepuszczalne – dzięki temu wyprowadzamy część światła na zewnątrz lasera. Aby taka propagacja była stabilna w czasie potrzebne jest spełnienie dwóch warunków. Amplituda fali świetlnej po przejściu całego cyklu nie może się zmniejszać – czyli straty pochłaniania w ośrodku aktywnym, moc wyprowadzana i straty na odbiciach muszą być co najmniej równoważone przez wzmocnienie. Ten warunek nazwiemy warunkiem amplitudowym. Fala padająca i fala powracająca muszą być zgodne w fazie tak, aby przy nakładaniu się tych fal nie dochodziło do ich wygaszania. Warunek ten nazwiemy warunkiem fazowym. Półprzewodnikowy ośrodek aktywny posiada pary elektron-dziura o dość szerokim spektrum dostępnych energii. Jeżeli tylko prąd płynący przez złącze jest dostatecznie duży to warunek amplitudowy jest spełniony dla szerokiego zakresu widma. Jednak warunek fazowy spełniają tylko te długości fali, których w rezonatorze mieści się całkowita liczba połówek. Rysując na jednym wykresie charakterystykę wzmocnienia ośrodka aktywnego i długości fali spełniające warunek fazowy (dolny rysunek) otrzymujemy charakterystykę promieniowania lasera z rezonatorem F-P. Widmo promieniowania lasera z rezonatorem F-P zawiera wiele prążków. Nazywamy je modami, a taki laser laserem wielomodowym. Ponieważ wzmocnienie ośrodka aktywnego zależy od koncentracji par elektron-dziura, a ta, w warunkach równowagi jest monotonicznie zależna od prądu płynącego przez strukturę, to istnieje taka wartość prądu, poniżej której warunek amplitudowy nie jest spełniony, czyli nie zachodzi akcja laserowa. Minimalny prąd potrzebny do zainicjowania akcji laserowe nazywamy prądem progowym.

---

Plik:TTS M10 Slajd8.PNG

Krokiem naprzód w konstrukcji laserów było użycie siatki Bragga jako selektywnego zwierciadła na brzegach struktury. Rozłożony reflektor Bragga wykorzystuje pewną właściwość struktur periodycznych. Otóż, jeżeli zbudujemy strukturę, w której fala ulega drobnemu odbiciu w regularnych odstępach, a odbić tych jest dostatecznie dużo, to otrzymamy element, który dla pewnych długości fali całkowicie odbija padającą falę, inne zaś długości fali przepuszcza. Na granicy dwóch ośrodków o różnym współczynniku załamania występuje zjawisko częściowego odbicia. Jeżeli współczynniki odbicia ośrodków różnią się nieznacznie, to odbija się tylko niewielka część padającej energii. Wykorzystując tę właściwość możemy zbudować selektywne zwierciadło do lasera. Taką właśnie konstrukcję przedstawia dolny rysunek. Obszary „p” i „n” zbudowane są z różnych materiałów, mają one między innymi różne współczynniki odbicia. Dzięki temu fala świetlna przechodząc przez wytrawione w podłożu struktury wypełnione materiałem górnej warstwy wielokrotnie napotyka granicę ośrodków. Dla długości fali, która spełnia warunek całkowitego odbicia struktura zachowuje się jak zwierciadło, dla innych długości fali jak materiał przezroczysty. Jeżeli z takiego selektywnego zwierciadła zbudujemy rezonator Fabry-Perot to otrzymamy strukturę o ciekawych właściwościach. Warunek fazowy rezonatora spełniony jest dla wielu modów lasera, aby jednak spełnić ten warunek, fala świetlna musi najpierw odbić się od zwierciadeł. Jeżeli ze względu na swą długość nie spełnia warunku całkowitego odbicia siatki Bragga to nie zostanie odbita. W ten sposób budując odpowiednie zwierciadła Bragga jesteśmy w stanie zapewnić, że tylko dla jednej długości fali będą spełnione oba warunki – w laserze generowana będzie tylko jedna długość fali – otrzymamy laser jednomodowy. Taką konstrukcję nazywamy laserem DBR (od angielskich słów Distributed Bragg Reflector).

---

Przedstawiony laser DBR mimo olbrzymiej zalety, jaką jest praca jednomodowa, nie wykorzystuje w sposób optymalny całej objętości układu. Jego znaczna część użyta jest do wytworzenia selektywnych zwierciadeł. Stąd tylko część układu pracuje jako układ aktywny. Jego możliwości dostarczania energii są więc ograniczone jego rozmiarami. Rozwinięciem struktury lasera DBR, które jest pozbawione tej cechy jest laser z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym – laser DFB (ang. Distributed Feed-Back). W tym laserze siatka Bragga wytworzona jest na całej długości lasera. Jednocześnie cała długość tworzy układ aktywny. Taka konstrukcja w sposób naturalny generuje 2 mody. Gdy rozsuniemy siatkę pomiędzy połowami lasera o $\frac{1}{4}$ stałej siatki, wtedy jeden mod wygasa. Otrzymujemy laser jednomodowy o większej mocy wyjściowej.

---