Αρχή λειτουργίας της δίοδος εκπομπής φωτός-
Δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) που χρησιμοποιούνται σεοπτικών ινώνΗ επικοινωνία εκπέμπει αόρατο υπέρυθρο φως, ενώ τα LED που χρησιμοποιούνται στις οθόνες εκπέμπουν ορατό φως, όπως κόκκινο και πράσινο φως. Ωστόσο, οι μηχανισμοί εκπομπής φωτός-τους είναι ουσιαστικά οι ίδιοι. Η διαδικασία εκπομπής ενός LED αντιστοιχεί κυρίως στη διαδικασία αυθόρμητης εκπομπής φωτός. Όταν εγχέεται ένα ρεύμα προς τα εμπρός, οι εγχυόμενοι μη-φορείς ισορροπίας ανασυνδυάζονται κατά τη διάχυση, εκπέμποντας φως. Επομένως, τα LED είναι ασυνάρτητες πηγές φωτός και δεν είναι συσκευές κατωφλίου. Η ισχύς εξόδου τους είναι βασικά ανάλογη του εγχυόμενου ρεύματος.
Τα LED έχουν μεγάλο φασματικό πλάτος (30–60 nm) και μεγάλη γωνία ακτινοβολίας. Σε συστήματα ψηφιακής επικοινωνίας χαμηλής-ταχύτητας και αναλογικής επικοινωνίας στενού-εύρους ζώνης, τα LED είναι η βέλτιστη πηγή φωτός. Σε σύγκριση με τα λέιζερ, τα κυκλώματα οδήγησης LED είναι πιο απλά και προσφέρουν μεγαλύτερο όγκο παραγωγής και χαμηλότερο κόστος.
Η διαφορά μεταξύ των LED και των λέιζερ είναι ότι τα LED δεν έχουν κοιλότητα οπτικού συντονισμού και δεν μπορούν να παράγουν φως λέιζερ. Περιορίζονται σε αυθόρμητη εκπομπή, εκπέμποντας ασυνάρτητο φως. Τα λέιζερ, από την άλλη πλευρά, διεγείρουν εκπομπή, εκπέμποντας συνεκτικό φως.
Δομή LED
Τα LED χρησιμοποιούν επίσης ως επί το πλείστον τσιπ διπλής ετεροσύνδεσης. Η διαφορά είναι ότι τα LED δεν έχουν επιφάνειες διάσπασης, που σημαίνει ότι δεν διαθέτουν κοιλότητες οπτικού συντονισμού και επειδή δεν ταλαντώνονται όπως τα λέιζερ, δεν έχουν οπτικό συντονισμό. Τα LED χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: επιφανειακά-LED εκπομπής και ακραία-LED εκπομπής. Η δομή ενός LED που εκπέμπει επιφάνεια-εμφανίζεται στο Σχήμα 3-11 και η δομή ενός LED που εκπέμπει άκρη φαίνεται στο Σχήμα 3-12.
Εικόνα 3-11 Δομή ενός LE που εκπέμπει επιφάνειαD
Τα LED που εκπέμπουν άκρα χρησιμοποιούν επίσης μια δομή διπλής ετεροσύνδεσης. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία μάσκας SiO2, ένα ηλεκτρόδιο επαφής σε σχήμα λωρίδας- (40-50 mm) κάθετο στην ακραία όψη σχηματίζεται στην επιφάνεια επαφής σε σχήμα λωρίδας{{8}, ορίζοντας έτσι το πλάτος του ενεργού στρώματος. Ταυτόχρονα, προστίθεται ένα στρώμα οπτικού κυματοδηγού για την περαιτέρω ενίσχυση του περιορισμού του φωτός, καθοδηγώντας την ακτινοβολία φωτός που παράγεται στην ενεργό περιοχή προς την επιφάνεια εκπομπής, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση συνδυασμού με την οπτική ίνα. Το ένα άκρο του ενεργού στρώματος είναι επικαλυμμένο με μια-μεμβράνη υψηλής ανάκλασης και το άλλο άκρο με μια αντιανακλαστική μεμβράνη για την επίτευξη μονοκατευθυντικής εκπομπής φωτός. Στην κατεύθυνση κάθετη στο επίπεδο σύνδεσης, η γωνία απόκλισης είναι περίπου 30 μοίρες, παρουσιάζοντας υψηλότερη απόδοση σύζευξης εξόδου από τα LED που εκπέμπουν επιφάνεια.
Το σχήμα 3-12 δείχνει τη δομή ενός LED που εκπέμπει άκρη
Χαρακτηριστικά λειτουργίας LED
(1) Φασματικά χαρακτηριστικά: Το φασματικό εύρος γραμμής ΔA των LED είναι πολύ ευρύτερο από αυτό των λέιζερ. Το φάσμα εκπομπής των InGaAsP LED φαίνεται στο Σχήμα 3-13.
Εικόνα 3-13 Φάσμα εκπομπής InGaAsP LED
Δεδομένου ότι τα LED δεν διαθέτουν κοιλότητα οπτικού συντονισμού για την επιλογή μήκους κύματος, το φάσμα τους βασίζεται κυρίως στην αυθόρμητη εκπομπή, με αποτέλεσμα ένα ευρύ εύρος γραμμής φάσματος. Το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στη μέγιστη φωτεινή ένταση στη φασματική καμπύλη ονομάζεται μήκος κύματος κορυφής εκπομπής λp και η διαφορά μήκους κύματος Δλ μεταξύ των δύο μισών-σημείων έντασης στη φασματική καμπύλη ονομάζεται φασματικό εύρος γραμμής LED (ή απλώς φασματικό πλάτος), που είναι μια ποσότητα που σχετίζεται με τη θερμοκρασία και το μήκος κύματος Tλ.
Στον τύπο, c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. h είναι η σταθερά του Planck, h=6.625 × 10-34 J·s; και k είναι η σταθερά του Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Όπως φαίνεται από την εξίσωση (3-10), το φασματικό πλάτος αυξάνεται με την αύξηση του μήκους κύματος ακτινοβολίας λ σύμφωνα με το λ². Γενικά, το φασματικό πλάτος των LED μικρού-μήκους κύματος (GaAlAs{-GaAs) είναι 10~50nm και το φασματικό πλάτος των LED μεγάλου-μήκους κύματος (InGaAsP-InP) είναι 50~120nm.
Το φασματικό πλάτος αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης ντόπινγκ ενεργού στρώματος. Τα επιφανειακά-LED που εκπέμπουν είναι γενικά πολύ ντοπαρισμένα, ενώ τα LED που εκπέμπουν άκρο-είναι ελαφρά. Επομένως, τα LED που εκπέμπουν επιφάνεια- έχουν μεγαλύτερο φασματικό πλάτος. Επιπλέον, το βαρύ ντόπινγκ μετατοπίζει το μήκος κύματος εκπομπής προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Επιπλέον, οι αλλαγές θερμοκρασίας και οι διακυμάνσεις στην κατανομή της ενέργειας του φορέα προκαλούν επίσης αλλαγές στο φασματικό πλάτος.
(2) Χαρακτηριστικά οπτικής ισχύος εξόδου Το χαρακτηριστικό P-I ενός LED αναφέρεται στη σχέση μεταξύ της οπτικής ισχύος εξόδου και του ρεύματος έγχυσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-14. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 3-14, οι συσκευές που εκπέμπουν επιφάνεια-έχουν υψηλότερη ισχύ, αλλά είναι επιρρεπείς σε κορεσμό σε υψηλά ρεύματα έγχυσης. ενώ οι συσκευές εκπομπής άκρων{10}}έχουν σχετικά χαμηλότερη ισχύ. Σε γενικές γραμμές, κάτω από το ίδιο ρεύμα έγχυσης, η οπτική ισχύς εξόδου μιας επιφάνειας-που εκπέμπει LED είναι 2,5 έως 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός LED που εκπέμπει άκρη. Αυτό συμβαίνει επειδή τα LED που εκπέμπουν άκρα υπόκεινται σε μεγαλύτερη απορρόφηση και ανασυνδυασμό διεπαφής.
Εικόνα 3-14 χαρακτηριστικά PI του LED
(3) Χαρακτηριστικά θερμοκρασίας Δεδομένου ότι τα LED είναι συσκευές χωρίς κατώφλι, έχουν καλά χαρακτηριστικά θερμοκρασίας και δεν απαιτούν κυκλώματα ελέγχου θερμοκρασίας.
(4) Αποδοτικότητα ζεύξης Υπό κανονικές συνθήκες εφαρμογής, το ρεύμα λειτουργίας του LED είναι 50-150 mA και η ισχύς εξόδου είναι μερικά milliwatts. Επειδή η γωνία απόκλισης της δέσμης που εκπέμπεται από το LED είναι μεγάλη, η απόδοση σύζευξης με την οπτική ίνα είναι χαμηλή και η ισχύς της ίνας είναι πολύ μικρότερη. Γενικά είναι κατάλληλο μόνο για μετάδοση σε μικρές αποστάσεις.
(5) Χαρακτηριστικά διαμόρφωσης: Τα LED έχουν χαμηλές συχνότητες διαμόρφωσης. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η συχνότητα αποκοπής των επιφανειακών-LED που εκπέμπουν είναι 20-30 MHz και η συχνότητα αποκοπής των LED που εκπέμπουν άκρη είναι 100-150 MHz, κυρίως λόγω του περιορισμού της διάρκειας ζωής του φορέα.
Σύγκριση Laser (LD) και LED
Σε σύγκριση με τις οπτικές διόδους (LD), τα LED έχουν χαμηλότερη ισχύ εξόδου, μεγαλύτερο εύρος φασματικής γραμμής και χαμηλότερη συχνότητα διαμόρφωσης. Ωστόσο, τα LED προσφέρουν σταθερή απόδοση, μεγάλη διάρκεια ζωής, ευκολία στη χρήση, μεγάλο γραμμικό εύρος ισχύος εξόδου και είναι πιο απλά στην κατασκευή και λιγότερο ακριβά.
Τα LED συνήθως συνδέονται με πολυτροπικές οπτικές ίνες για συστήματα οπτικής επικοινωνίας χαμηλής-χωρητικότητας, μικρής-απόστασης με μήκη κύματος 1,31μm ή 0,85μm.
Οι δίοδοι λέιζερ (LD) συνήθως συνδέονται με ίνα μονής-λειτουργίας για οπτικά συστήματα επικοινωνίας υψηλής
Τα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (DFB-LD) συνδυάζονται επίσης κυρίως με ίνα μονής-λειτουργίας ή ειδικά σχεδιασμένη ίνα μονής-λειτουργίας για νέα συστήματα οπτικών ινών υψηλής-χωρητικότητας σε μήκος κύματος 1,55 μm, που είναι επί του παρόντος η κύρια τάση ανάπτυξης οπτικών ινών.
