3-боб. Оптик алоқа тизимларида қЎлланиладиган ёруғлик манбалари

Ёруғлик диоди нурланишининг йўналганлик диаграммаси
Ёруғлик диоди нуқтавий ёруғлик манбаи сифатида йўналганлик диаграммаси билан тавсифланади. Бу диаграмманинг кўриниши ёруғлик диодининг тузилиш хусусиятлари, шунингдек, р- ва n-тур материалларнинг хоссалари билан аниқланади.
Қуйидаги чизмаларда (3.7-расм) сферик тузилишли GaAs (узлуксиз чизиқли) ва ясси планар – эпитаксиал тузилишли GaP (узлукли чизиқлар) ёруғлик диодларининг йўналганлик диаграммалари келтирилган. Улардан кўринадики, тузилиши хусусиятларига қараб, нуқтавий ёруғлик диодининг нурланиши ± 10⁰ фазовий бурчак оралиғида ўткир йўналган бўлиши ҳам, (130-140⁰ бурчак оралиғида текис тақсимланган бўлиши ҳам мумкин.
Ёруғлик диодининг у ёки бу кўринишдаги йўналганлик диаграммасига ёруғлик манбаи билан яхлит тузилишга эга бўлган қайтаргичлар воситасида эришилади.
Гап шундаки, паст температураларда ва токнинг етарли даражада катта қийматларида р-n ўтишда рекомбинацияланган ҳар бир электрон-ковак жуфти биттадан фотон ҳосил қилади, бошқача қилиб айтганда, нурланишнинг квант самарадорлиги бирга яқин бўлади.


3.7-расм. Ёруғлик диодларининг йўналганлик диаграммалари:
1, 1’қайтаргичсиз, 2,2-қайтаргичли GaAs ва GaP диодлари.


Бироқ ясси тузилишли диодларда бу фотонларнинг барчаси ҳам ташқарига чиқа олмайди. Уларнинг кўпчилиги тўла ички қайиш ҳодисасига кўра, диод чегарасидан қайтади ва ярим ўтказгич материалли томонидан қайта ютилади.
У ёки бу кўринишдаги йўналганлик диаграммасига ёруғлик манбаи билан яхлит тузилишга эга бўлган қайтаргичлар воситасида эришилади.
Физика курсидан маълумки, икки муҳит чегарасидан ўтаётган нурлар конусини чекловчи критик фазовий бурчак қуйидаги муносабат билан аниқланади:
θ_кр=arcsin (n₁/n₂) (3.9)
бу ерда n₁ ва n_2-тегишли муҳитларнинг синдириш кўрсаткичлари. GaAs ва ҳаво ўртасидаги чегара θ_кр бурчак тахминан 16⁰ га тенг ва бу конусга нурланаётган ёруғликнинг атига 3.9% тушади. Бундан ташқари бу ёруғликнинг 35% и одатдаги Френель қайтишига дучор бўлади. Натижада ҳавога нурланишнинг энг кўпи билан 2,6% и чиқади. Бунда ташқарига чиққан нурланиш тахминан косинус қонуни бўйича тақсимланади.
Актив (ишчи) соҳада генерацияланган нурланишнинг ташқи муҳитга чиқишини ошириш ва унинг йўналганлик диаграммасини яхшилаш учун ёруғлик диодини тайёрлаш чоғида унга у ёки бу кўринишдаги шакл берилади.
3.8-расмда ана шундай конструктив ечимлардан уч хили келтирилган. 3.8-а расмда n-соҳаси ярим сферик ва р-соҳаси юпқа ясси доира кўринишида тайёрланган ёруғлик диодининг тузилиши кўрсатилган. Агар р-n ўтиш радиусининг ярим сфера радиусига нисбати sin θ_кр дан ошмаса, ярим сфера сиртига етиб борган барча ёруғлик унга ўтказилган перпендикуляр билан θ_кр га нисбатан кичик барча ҳосил қилади ва кристалдан ташқарига чиқиши мумкин. Натижада ёруғлик диодининг ташқи квант самарадорлиги тахминан 10-20 мартагача ортиб, ташқарига чиққан нурланиш барча йўналишлар бўйича бир хил интенсивлик билан тарқалади.
.8б-расмда n соҳада кесик кўринишида тайёрланган ёруғлик диодиининг тузилиши келтирилган.


3.8-расм. Ёруғлик диодининг турли хил кўринишдаги тузилишлари: сферик
кўринишли тузилиш (а); кесик конус шаклдаги тузилиш (б) ва
параболик тузилиш (в) (1-n турдаги яримўтказгич; 2-р турдаги меза
тузилиш; 3-контрактлар; 4-р-n ўтиш соҳасининг радиуси).


Ёруғликнинг конуссимон ён сиртлардан тўлиқ ички қайтиши бу ҳолда р-n ўтиш текислигига ўтказилган перпендикуляр билан катта бурчак ҳосил қилувчи нурланишлардан ҳам фойдаланиш имконини беради.
Ҳисоблашларнинг кўрсатишича, конуссимон сиртнинг оғиш бурчаги 45⁰ га тенг қилиб олинган мақбуллаштирилган вариантда ташқарига чиқадиган нурланиш интенсивлиги тахминан бир тартибда ортади. Конуссимон сиртни яхшилаб текисланса, бу ҳол нурланиш йўналганлигининг ортишига ҳам олиб келади.
Ёруғлик диодининг сиртига параболик шакл бериш йўли билан нокогерент нурланиш йўналганлик даражасининг янада юқори бўлишига эриши мумкин (3.8в–расм). Бу ҳолда р-n ўтиш параболик сиртнинг фокусига жойлаштирилади ва нисбатан кичик ўлчамли қилиб тайёрланади. Натижада генерацияланган нурланиш орқа сиртдан тўлиқ ички қайтиб, олд сиртга деярли параллел равишда чиқади.
Юқорида кўриб чиқилган, махсус шакл берилган ёритгич диодларининг умумий камчилиги шундаки, уларни тайёрлаш нисбатан мураккаб ва қўшимча сарф харажат талаб қилинади.
Агар ташқи муҳит сифатида ҳаводан эмас, синдириш кўрсаткичи ёритгич диоди материалининг синдириш кўрсатгичига яқин шаффоф моддалардан фойдаланилса ёки диод сирти равшанлантирувчи махсус қатлам билан қопланса, ясси тузилишга эга бўлган ёритгич диодларида ҳам кристалл ташқарисига чиқадиган ёруғлик интенсивлигини анчага ошириш мумкин. Тола оптикали узатиш тизмларининг узатувчи модулида айнан шу усулдан фойдаланилади.
3.1б-расмда толали оптик узатиш тизимларида ишлатиш учун мўлжалланган, инфрақизил диапазонда нурланувчи, катта тезкорликка эга бўлган ана шундай ёритгич диодининг тузилиши кўрсатилган.