Principiul de funcționare al diodei-emițătoare de lumină
Diode-emițătoare de lumină (LED-uri) utilizate înfibra opticacomunicarea emit lumină infraroșie invizibilă, în timp ce LED-urile utilizate în afișaje emit lumină vizibilă, cum ar fi lumină roșie și verde. Cu toate acestea, mecanismele lor-emițătoare de lumină sunt în esență aceleași. Procesul de emisie al unui LED corespunde în principal procesului de emisie spontană a luminii. Când este injectat un curent direct, purtătorii ne-de echilibru injectați se recombină în timpul difuziei, emițând lumină. Prin urmare, LED-urile sunt surse de lumină incoerente și nu sunt dispozitive de prag; puterea lor de ieșire este practic proporțională cu curentul injectat.
LED-urile au o lățime spectrală largă (30–60 nm) și un unghi mare de radiație. În sistemele de comunicații digitale cu viteză redusă-și de comunicații analogice-înguste, LED-urile sunt sursa optimă de lumină. În comparație cu laserele, circuitele de conducere cu LED-uri sunt mai simple și oferă un volum de producție mai mare și costuri mai mici.
Diferența dintre LED-uri și lasere este că LED-urile nu au o cavitate de rezonanță optică și nu pot genera lumină laser. Ele sunt limitate la emisie spontană, emitând lumină incoerentă. Laserele, pe de altă parte, sunt emisii stimulate, emitând lumină coerentă.
Structura LED
De asemenea, LED-urile folosesc în mare parte cipuri cu heterojoncție dublă. Diferența este că LED-urile nu au suprafețe de clivaj, adică au cavități de rezonanță optică și, pentru că nu oscilează ca laserele, nu au rezonanță optică. LED-urile sunt împărțite în două categorii principale: LED-uri cu emisie-de suprafață și LED-uri cu emisie-de margini. Structura unui LED care emite suprafață-este prezentată în Figura 3-11, iar structura unui LED care emite margini este prezentată în Figura 3-12.
Figura 3-11 Structura unui LE de suprafațăD
LED-urile cu emisie de margine-utiliză, de asemenea, o structură de heterojuncție dublă. Utilizând tehnologia măștii SiO2, pe suprafața de contact în formă de bandă se formează un electrod de contact în formă de bandă-(40-50mm) perpendicular pe suprafața de capăt, definind astfel lățimea stratului activ. Simultan, se adaugă un strat de ghid de undă optic pentru a îmbunătăți și mai mult limitarea luminii, ghidând radiația luminoasă generată în regiunea activă către suprafața emițătoare, îmbunătățind astfel eficiența combinării cu fibra optică. Un capăt al stratului activ este acoperit cu o peliculă cu-reflectnță mare, iar celălalt capăt cu o peliculă anti-reflex pentru a obține o emisie de lumină unidirecțională. În direcția perpendiculară pe planul de joncțiune, unghiul de divergență este de aproximativ 30 de grade, prezentând o eficiență de cuplare a ieșirii mai mare decât LED-urile cu emisie de suprafață.
Figura 3-12 arată structura unui LED care emite margini
Caracteristicile de funcționare ale LED-urilor
(1) Caracteristici spectrale: Lățimea de linie spectrală ΔA a LED-urilor este mult mai largă decât cea a laserelor. Spectrul de emisie al LED-urilor InGaAsP este prezentat în Figura 3-13.
Figura 3-13 Spectrul de emisie al LED-ului InGaAsP
Deoarece LED-urilor le lipsește o cavitate rezonantă optică pentru a selecta lungimile de undă, spectrul lor se bazează în primul rând pe emisia spontană, rezultând o lățime de linie spectrală largă. Lungimea de undă corespunzătoare intensității luminoase maxime pe curba spectrală se numește lungimea de undă maximă de emisie λp, iar diferența de lungime de undă Δλ dintre cele două puncte de jumătate de intensitate de pe curba spectrală se numește lățimea liniei spectrale LED (sau pur și simplu lățimea spectrală), care este o cantitate legată de temperatura T și lungimea de undă.
În formula, c este viteza luminii în vid; h este constanta lui Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; și k este constanta lui Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
După cum se poate observa din ecuația (3-10), lățimea spectrală crește odată cu creșterea lungimii de undă a radiației λ conform λ². În general, lățimea spectrală a LED-urilor cu lungime de undă scurtă (GaAlAs-GaAs) este de 10~50nm, iar lățimea spectrală a LED-urilor cu lungime de undă lungă (InGaAsP-InP) este de 50~120nm.
Lățimea spectrală crește odată cu creșterea concentrației de dopaj a stratului activ. LED-urile-emițătoare de suprafață sunt în general puternic dopate, în timp ce LED-urile-emițătoare de margine sunt ușor dopate; prin urmare, LED-urile-emițătoare de suprafață au o lățime spectrală mai mare. În plus, dopajul intens deplasează lungimea de undă de emisie către lungimi de undă mai lungi. În plus, schimbările de temperatură și variațiile în distribuția energiei purtătoare cauzează, de asemenea, modificări ale lățimii spectrale.
(2) Caracteristicile puterii optice de ieșire Caracteristica P-I a unui LED se referă la relația dintre puterea optică de ieșire și curentul de injecție, așa cum se arată în Figura 3-14. După cum se poate observa din Figura 3-14, dispozitivele cu emisie de suprafață-au o putere mai mare, dar sunt predispuse la saturație la curenți de injecție mari; în timp ce dispozitivele care{10}}emite margini au o putere relativ mai mică. În general, sub același curent de injecție, puterea optică de ieșire a unui LED-de suprafață este de 2,5 până la 3 ori mai mare decât cea a unui LED care emite margini. Acest lucru se datorează faptului că LED-urile care emit margini sunt supuse unei absorbții mai mari și recombinării interfeței.
Figura 3-14 Caracteristicile PI ale LED-ului
(3) Caracteristici de temperatură Deoarece LED-urile sunt dispozitive fără prag, au caracteristici bune de temperatură și nu necesită circuite de control al temperaturii.
(4) Eficiența de cuplare În condiții normale de aplicare, curentul de funcționare al LED-ului este de 50-150mA și puterea de ieșire este de câțiva miliwați. Deoarece unghiul de divergență al fasciculului emis de LED este mare, eficiența de cuplare cu fibra optică este scăzută, iar puterea fibrei este mult mai mică. În general, este potrivit doar pentru transmisia pe distanțe scurte.
(5) Caracteristici de modulație: LED-urile au frecvențe joase de modulație. În condiții normale de funcționare, frecvența de tăiere a LED-urilor cu emisie de suprafață este de 20-30MHz, iar frecvența de tăiere a LED-urilor care emit margini este de 100-150MHz, în principal din cauza limitării duratei de viață a purtătorului.
Comparație între lasere (LD) și LED-uri
În comparație cu diodele optice (LD), LED-urile au putere de ieșire mai mică, lățime de linie spectrală mai largă și frecvență de modulație mai mică. Cu toate acestea, LED-urile oferă performanță stabilă, durată de viață lungă, ușurință în utilizare, o gamă liniară largă de putere de ieșire și sunt mai simplu de fabricat și mai puțin costisitoare.
LED-urile sunt în mod obișnuit cuplate cu fibre optice multimodale pentru sisteme de comunicații optice de -capacitate mică,-la distanță scurtă cu lungimi de undă de 1,31 μm sau 0,85 μm.
Diodele laser (LD) sunt de obicei cuplate cu fibră mono-mod pentru sisteme de comunicații optice de-capacitate mare,-la distanță lungă la lungimi de undă de 1,31 μm sau 1,55 μm.
Laserele cu feedback distribuit (DFB-LD-uri) sunt, de asemenea, cuplate în principal cu fibră mono-mod sau cu fibră mono-mod special concepută pentru noi sisteme de fibre optice de-capacitate mare la o lungime de undă de 1,55 μm, care este în prezent principala tendință în dezvoltarea comunicațiilor cu fibră optică.
