Оптические системы светоизлучающих диодов

7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.

Большие возможности получения направленных световых потоков создает эффект “оптического ограничения”, возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава. Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятствует такое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слое по сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15—0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р—n-перехода. Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи.

Примеры конструкции светодиодов с различными КСС

Вышеперечисленные пункты относились в основном к конструктивным особенностям непосредственно тела свечения. Рассмотрим теперь пути изменения КСС при помощи внешней (надкристальной) оптики.

Пример конструкции СИД с характерными размерами дан на рис. 1 Приложения. Активная область свечения имеет площадь порядка 1мм2. Полимерный купол СИД представляет собой линзу, назначение которой – обеспечение требуемой диаграммы направленности свечения и механическая защита кристалла-излучателя. Кроме того, в полимере могут быть диспергированы зёрна люминофора, изменяющего цвет свечения. Так, например, если к собственному голубому излучению полупроводникового кристалла добавить жёлто-зелёную линии спектра люминофора, то возможно получить СИД белого свечения. Концентрация люминофора или его состав может изменяться, удовлетворяя, таким образом, требованию на цвет излучения СИД.

Конструкция мощных светодиод­ных осветителей (рис. 1) создавалась на основе ножки с увеличен­ным теплоотводом за счет наварен­ной медной пластины. Полимерный корпус (показатель преломления n = 1,55) содержит полусферическую линзу диаметром 18 мм. Для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов используется отража­тель, согласованный по размерам с полимерной линзой. Отношение вы­соты полимерной линзы над крис­таллами S к радиусу полимерной линзы R в сочетании с действием от­ражателя определяют полуширину пространственного распределения силы света 2q0.5.

Светодиодные осветители (СО) могут со­держать либо 1 кристалл (например, прибо­р типа У-345Бл), либо 3 кристалла, сое­диненные последовательно (тип У-342Бл), либо 4 кристалла, соеди­ненные последовательно — парал­лельно (тип У-337Бл). Типичные КСС таких осветителей представлены на рис.2 Приложения. Из рисунка видно, что увеличение количества кристаллов приводит к уширению КСС и, естественно, к увеличению светового потока.

Широкие КСС применимы в элементах общего освещения, когда необходимо, чтобы возможно больший поток попадал на как можно большую площадь. Наоборот, узкие КСС применяются в источниках мононаправленного излучения: оптические дальномеры и указатели, источники информации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи). Как правило, осветительные приборы на СИД представляют собой «кассету» из нескольких диодов (рис.3), в то время как СИД для ВОЛС, генераторы опорного напряжения оптикоэлектронных систем, оптопары представляют собой единичные элементы.

Кроме формирования определенной КСС, необходимо минимизировать потери светового потока. Для этого в конструкции предусматривается линзовый или зеркально-линзовый оптический элемент (ОЭ), как указывалось выше, из полимерного материала, одновременно увеличивающий квантовый выход излучения и служащий механической защитой излучающего кристалла.

В системах, передающих энергию на большие расстояния (до нескольких км), уменьшение угла рассеяния имеет решающее значение (уменьшение размытия информационного импульса). Проектирование ОЭ, обеспечивающих малые углы, представляет некоторое затруднение. Это, в первую очередь, связано с тем, что источником излучения является поверхность кристалла диаметром около 1 мм. Поток излучения сосредоточен в полусфере и его распределение может иметь случайный характер. Иногда максимум энергии сосредоточен в боковых зонах.

Можно проанализировать различные варианты оптических схем, потенциально пригодных для использования совместно с СИД, и сформулировать следующие требования к ОЭ [4]:

1. ОЭ должен перераспределять излучение СИД, направленное в полусферу, в заданном угле.

2. Угол расходимости излучения должен быть минимальным.

3. Потери излучения в ОЭ (за счет поглощения и рассеяния) должны быть минимальными.

4. ОЭ должен позволять осуществлять теплообмен.

5. Конструкция ОЭ должна быть достаточно простой и технологичной.

Предложен ряд конструкций ОЭ [4], работающих совместно с излучающим кристаллом и позволяющих получать малые углы излучения. Во всех конструкциях излучающий кристалл помешается в фокусе ОЭ. При этом любой луч после ряда отражений и преломлений выходит из ОЭ параллельно оптической оси.

1. В [4] описана конструкция ОЭ, имеющего три рабочие поверхности (a, b, c) сложной асферической формы (рис.4). Особенностью конструкции является то, что отражение от поверхности b осуществляется либо на зеркальном, либо на прозрачном участке за счет полного внутреннего отражения.

2. Там же рассмотрена конструкция ОЭ со сферической (а), эллиптической (b), параболической (c) и плоской (d) поверхностями (рис. 5).

3. На рис. 6 показана конструкция [2] ОЭ с поверхностями в виде сферы (а), параболы (b), w-образного аксикона (c) и плоскости (d).

Математическое моделирование конструктивных и оптических пара­метров, а также анализ технологиче­ских факторов показал [2], что наиболее высокие характеристики по п.п. 1-5 можно получить, используя конструк­цию по рис. 4. При этом размер излу­чающей площадки не должен превы­шать 1мм, а световой диаметр ОЭ дол­жен быть не более 40—60 мм.

Изготовлена [2] опытная партия ОЭ с конструкцией по рис.4. Диаметр ОЭ составляет 40 мм, тол­щина 11,6 мм. Высокое качество полу­чаемой оптической поверхности (ко­эффициент диффузного рассеяния в видимом диапазоне не превышал 0,7%) позволило использовать весь арсенал вакуумных оптических покрытий. Сре­ди них серебряные отражающие по­крытия с коэффициентом зеркального отражения в видимом и ближнем ИК-диапазоне до 97%. Разработаны просветляющие покрытия, которые дополнительно повышают механиче­скую прочность и атмосферостойкоеть поверхности, а также заметно, на 10—20%, уменьшают доступ УФ-излучения в массу полимера, замедляя про­цессы старения. Излучающий кри­сталл помещен внутри ОЭ в иммерси­онной среде. Потери излучения в ОЭ не пре­вышают 10% (в оптимальном варианте около 6%), а угол расхождения выходя­щего излучения составляет 2q0.5=2°. На кристалле с силой света около 500 мКд удается получить осевую силу света более 500 кд, т.е. достигается кон­центрация излучения СИД примерно на три порядка.

1	2	3	4	5