A világító{0}}dióda működési elve
Világító{0}}diódák (LED-ek) használatosszáloptikaa kommunikáció láthatatlan infravörös fényt bocsát ki, míg a kijelzőkben használt LED-ek látható fényt, például vörös és zöld fényt bocsátanak ki. Fénykibocsátó mechanizmusaik-azonban lényegében megegyeznek. A LED emissziós folyamata főként a fény spontán kibocsátási folyamatának felel meg. Ha előremenő áramot injektálnak, a befecskendezett nem-egyensúlyi hordozók a diffúzió során rekombinálódnak, és fényt bocsátanak ki. Ezért a LED-ek inkoherens fényforrások, és nem küszöbértékek; kimenő teljesítményük alapvetően arányos a beinjektált áramerősséggel.
A LED-ek széles spektrumszélességgel (30-60 nm) és nagy sugárzási szöggel rendelkeznek. Alacsony-sebességű digitális kommunikációban és szűk-sávszélességű analóg kommunikációs rendszerekben a LED-ek jelentik az optimális fényforrást. A lézerekhez képest a LED meghajtó áramkörök egyszerűbbek, nagyobb gyártási mennyiséget és alacsonyabb költséget kínálnak.
A LED-ek és a lézerek közötti különbség az, hogy a LED-ek nem rendelkeznek optikai rezonanciaüreggel, és nem tudnak lézerfényt generálni. Spontán emisszióra korlátozódnak, inkoherens fényt bocsátanak ki. A lézerek ezzel szemben stimulált emissziós, koherens fényt bocsátanak ki.
LED szerkezet
A LED-ek is többnyire dupla heterojunkciós chipeket használnak. A különbség az, hogy a LED-ekből hiányoznak a hasítási felületek, vagyis hiányoznak az optikai rezonancia üregeik, és mivel nem rezegnek úgy, mint a lézerek, nincs optikai rezonanciájuk. A LED-ek két fő kategóriába sorolhatók: felületi-kibocsátó LED-ek és él-kibocsátó LED-ek. A felületet kibocsátó LED felépítését a 3-11. ábra mutatja, egy élkibocsátó LED felépítését pedig a 3-12. ábra.
3. ábra-11. A felületet kibocsátó LE felépítéseD
Az él{0}}kibocsátó LED-ek kettős heterojunkciós struktúrát is alkalmaznak. A SiO2 maszkos technológiát alkalmazva a szalag -formájú érintkezési felületen a végfelületre merőleges, szalag- alakú érintkezőelektródát (40-50 mm) alakítanak ki, ezzel meghatározva az aktív réteg szélességét. Ezzel egyidejűleg egy optikai hullámvezető réteget adnak hozzá, hogy tovább fokozzák a fényvisszatartást, és az aktív tartományban keletkező fénysugárzást a kibocsátó felületre irányítják, ezáltal javítva az optikai szállal való kombinálás hatékonyságát. Az aktív réteg egyik vége nagy-reflexiós fóliával, a másik vége pedig tükröződésmentes{12}fóliával van bevonva az egyirányú fénykibocsátás elérése érdekében. A csomóponti síkra merőleges irányban a divergencia szöge körülbelül 30 fok, ami nagyobb kimeneti csatolási hatékonyságot mutat, mint a felületet kibocsátó LED-ek.
A 3-12. ábra egy élkibocsátó LED felépítését mutatja
LED működési jellemzők
(1) Spektrális jellemzők: A LED-ek spektrális vonalszélessége ΔA sokkal szélesebb, mint a lézereké. Az InGaAsP LED-ek emissziós spektruma a 3-13. ábrán látható.
3-13 ábra Az InGaAsP LED emissziós spektruma
Mivel a LED-ek nem rendelkeznek optikai rezonancia üreggel a hullámhosszok kiválasztásához, spektrumuk elsősorban a spontán emisszión alapul, ami széles spektrális vonalszélességet eredményez. A spektrális görbén a maximális fényintenzitásnak megfelelő hullámhosszt λp emissziós csúcshullámhossznak, a spektrumgörbe két fél-intenzitáspontja közötti Δλ hullámhossz-különbséget pedig LED spektrális vonalszélességnek (vagy egyszerűen spektrális szélességnek) nevezzük, amely a Tλ-hoz és a hullámhosszhoz viszonyított mennyiség.
A képletben c a fény sebessége vákuumban; h Planck-állandó, h=6.625 × 10⁻3⁴ J·s; és k Boltzmann-állandó, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Amint a (3-10) egyenletből látható, a spektrum szélessége a λ sugárzási hullámhossz növekedésével növekszik a λ² szerint. Általában a rövid-hullámhosszú (GaAlAs-GaAs) LED-ek spektrális szélessége 10-50 nm, a hosszú-hullámhosszúságú (InGaAsP-InP) LED-ek spektrális szélessége pedig 50-120 nm.
A spektrum szélessége növekszik az aktív réteg adalékkoncentráció növekedésével. A felület-kibocsátó LED-ek általában erősen adalékolt, míg a szélső-kibocsátó LED-ek enyhén adalékoltak; ezért a felületi -kibocsátó LED-ek spektrális szélessége szélesebb. Ezenkívül a nehéz adalékolás az emissziós hullámhosszt hosszabb hullámhosszok felé tolja el. Ezenkívül a hőmérséklet-változások és a hordozóenergia-eloszlás változásai is spektrális szélesség változást okoznak.
(2) Kimeneti optikai teljesítmény karakterisztikája A LED P-I karakterisztikája a kimeneti optikai teljesítmény és a befecskendezési áram közötti összefüggésre vonatkozik, amint az a 3. ábrán látható,-14. Amint a 3-14. ábrán látható, a felületi-kibocsátó eszközök nagyobb teljesítményűek, de hajlamosak a telítésre nagy befecskendezési áramok esetén; míg az élkibocsátó{10}}eszközök teljesítménye viszonylag kisebb. Általánosságban elmondható, hogy ugyanazon befecskendező áram mellett a felületet kibocsátó LED kimeneti optikai teljesítménye 2,5-3-szor nagyobb, mint egy élkibocsátó LED-é. Ennek az az oka, hogy az élkibocsátó LED-ek nagyobb abszorpciónak és interfész-rekombinációnak vannak kitéve.
3. ábra-A LED 14 PI jellemzői
(3) Hőmérséklet jellemzői Mivel a LED-ek küszöb nélküli eszközök, jó hőmérsékleti jellemzőkkel rendelkeznek, és nem igényelnek hőmérséklet-szabályozó áramköröket.
(4) Csatolási hatékonyság Normál alkalmazási körülmények között a LED üzemi árama 50-150 mA, a kimeneti teljesítménye pedig néhány milliwatt. Mivel a LED által kibocsátott sugár divergenciaszöge nagy, az optikai szál csatlakozási hatékonysága alacsony, és a szál teljesítménye sokkal kisebb. Általában csak rövid távú átvitelre alkalmas.
(5) Modulációs jellemzők: A LED-ek modulációs frekvenciája alacsony. Normál üzemi körülmények között a felületi -kibocsátó LED-ek vágási frekvenciája 20-30 MHz, az élkibocsátó LED-ek vágási frekvenciája pedig 100-150 MHz, elsősorban a hordozó élettartamának korlátai miatt.
Lézerek (LD) és LED-ek összehasonlítása
Az optikai diódákhoz (LD-k) képest a LED-ek kisebb kimeneti teljesítménnyel, szélesebb spektrális vonalszélességgel és alacsonyabb modulációs frekvenciával rendelkeznek. A LED-ek azonban stabil teljesítményt, hosszú élettartamot, könnyű használatot, széles lineáris kimeneti teljesítménytartományt kínálnak, egyszerűbb a gyártásuk és olcsóbbak.
A LED-eket általában többmódusú optikai szálakkal kapcsolják össze az 1,31 μm vagy 0,85 μm hullámhosszú, kis-kapacitású, kis-távolságú optikai kommunikációs rendszerekhez.
A lézerdiódák (LD-k) általában egy{0}}módusú szálhoz kapcsolódnak a nagy-kapacitású, nagy-távolságú optikai kommunikációs rendszerek érdekében 1,31 μm vagy 1,55 μm hullámhosszon.
Az elosztott visszacsatolású lézerek (DFB-LD-k) szintén elsősorban egy-módusú szálakkal vagy speciálisan tervezett egymódusú szálakkal kapcsolódnak az új, nagy-kapacitású optikai szálrendszerekhez 1,55 μm-es hullámhosszon, ami jelenleg az optikai szálas kommunikáció fejlesztésének fő trendje.
