Princíp fungovania svetelnej-diódy
Svetelné-diódy (LED) používané voptické vláknakomunikácia vyžaruje neviditeľné infračervené svetlo, zatiaľ čo LED diódy používané v displejoch vyžarujú viditeľné svetlo, ako je červené a zelené svetlo. Ich mechanizmus-vyžarovania svetla je však v podstate rovnaký. Proces vyžarovania LED zodpovedá hlavne procesu spontánneho vyžarovania svetla. Keď sa vstrekne dopredný prúd, vstreknuté nerovnovážne nosiče sa počas difúzie rekombinujú a vyžarujú svetlo. Preto sú LED diódy nekoherentnými svetelnými zdrojmi a nie sú prahovými zariadeniami; ich výstupný výkon je v podstate úmerný vstrekovanému prúdu.
LED diódy majú širokú spektrálnu šírku (30–60 nm) a veľký uhol žiarenia. V nízkorýchlostných digitálnych komunikáciách a úzkopásmových analógových komunikačných systémoch sú LED diódy optimálnym zdrojom svetla. V porovnaní s lasermi sú budiace obvody LED jednoduchšie a ponúkajú vyšší objem výroby a nižšie náklady.
Rozdiel medzi LED a lasermi je v tom, že LED diódy nemajú optickú rezonančnú dutinu a nemôžu generovať laserové svetlo. Sú obmedzené na spontánnu emisiu, vyžarujú nekoherentné svetlo. Na druhej strane lasery sú stimulované emisie, ktoré vyžarujú koherentné svetlo.
Štruktúra LED
LED diódy tiež väčšinou používajú dvojité heterojunkčné čipy. Rozdiel je v tom, že LED diódy nemajú štiepne plochy, čo znamená, že nemajú optické rezonančné dutiny, a keďže nekmitajú ako lasery, nemajú žiadnu optickú rezonanciu. LED diódy sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií: povrchové -vyžarujúce LED a okrajové- diódy LED. Štruktúra povrchovo{5}}vyžarujúcej LED je znázornená na obrázku 3-11 a štruktúra okrajovo vyžarujúcej LED je znázornená na obrázku 3-12.
Obrázok 3-11 Štruktúra povrchovo vyžarujúceho LED
Edge-vyžarujúce LED diódy tiež využívajú štruktúru dvojitého heteroprechodu. Pomocou technológie masky SiO2 sa na kontaktnom povrchu v tvare prúžku -vytvára kontaktná elektróda v tvare prúžku (40-50 mm) kolmá na koncovú plochu-, čím sa vymedzuje šírka aktívnej vrstvy. Súčasne je pridaná vrstva optického vlnovodu na ďalšie zvýšenie zadržiavania svetla, ktorá vedie svetelné žiarenie generované v aktívnej oblasti k vyžarovaciemu povrchu, čím sa zlepšuje účinnosť kombinovania s optickým vláknom. Jeden koniec aktívnej vrstvy je potiahnutý vysoko -reflexnou fóliou a druhý koniec antireflexnou fóliou, aby sa dosiahlo jednosmerné vyžarovanie svetla. V smere kolmom na spojovaciu rovinu je uhol divergencie približne 30 stupňov, čo vykazuje vyššiu účinnosť výstupnej väzby ako povrchovo vyžarujúce LED.
Obrázok 3-12 zobrazuje štruktúru LED diódy vyžarujúcej okraj
Prevádzkové vlastnosti LED
(1) Spektrálne charakteristiky: Šírka spektrálnej čiary ΔA LED je oveľa širšia ako u laserov. Emisné spektrum InGaAsP LED je znázornené na obrázku 3-13.
Obrázok 3-13 Emisné spektrum InGaAsP LED
Pretože LED diódy nemajú optickú rezonančnú dutinu na výber vlnových dĺžok, ich spektrum je primárne založené na spontánnej emisii, čo vedie k širokej šírke spektrálnej čiary. Vlnová dĺžka zodpovedajúca maximálnej svetelnej intenzite na spektrálnej krivke sa nazýva vrcholová vlnová dĺžka emisie λp a rozdiel vlnových dĺžok Δλ medzi dvoma bodmi polovičnej intenzity na spektrálnej krivke sa nazýva šírka spektrálnej čiary LED (alebo jednoducho spektrálna šírka), čo je veličina súvisiaca s teplotou T a vlnovou dĺžkou λ.
Vo vzorci je c rýchlosť svetla vo vákuu; h je Planckova konštanta, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; a k je Boltzmannova konštanta, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Ako je možné vidieť z rovnice (3-}10), šírka spektra sa zväčšuje so zvyšovaním vlnovej dĺžky žiarenia λ podľa λ². Vo všeobecnosti je spektrálna šírka LED s krátkou -vlnovou dĺžkou (GaAlAs-GaAs) 10 ~ 50 nm a spektrálna šírka LED s dlhou -vlnnou dĺžkou (InGaAsP-InP) je 50 ~ 120 nm.
Šírka spektra sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou dopovania aktívnej vrstvy. Povrchové-diódy LED sú vo všeobecnosti silne dotované, zatiaľ čo okrajové-diódy LED sú jemne dotované; preto povrchové-LED diódy majú širšiu spektrálnu šírku. Okrem toho silné dopingy posúvajú vlnovú dĺžku emisie smerom k dlhším vlnovým dĺžkam. Okrem toho zmeny teploty a zmeny v distribúcii energie nosiča tiež spôsobujú zmeny šírky spektra.
(2) Charakteristika výstupného optického výkonu Charakteristika P-I LED sa vzťahuje na vzťah medzi výstupným optickým výkonom a vstrekovacím prúdom, ako je znázornené na obrázku 3-14. Ako je možné vidieť na obrázku 3-14, povrchové-zariadenia majú vyšší výkon, ale sú náchylné na saturáciu pri vysokých vstrekovacích prúdoch; zatiaľ čo okrajové{10}}zariadenia majú relatívne nižší výkon. Všeobecne povedané, pri rovnakom vstrekovacom prúde je výstupný optický výkon povrchovo vyžarujúcej LED 2,5 až 3-krát väčší ako výstupný optický výkon LED s okrajovým vyžarovaním. Je to preto, že LED diódy vyžarujúce okraj podliehajú väčšej absorpcii a rekombinácii rozhrania.
Obrázok 3-14 PI charakteristiky LED
(3) Teplotné charakteristiky Keďže LED diódy sú bezprahové zariadenia, majú dobré teplotné charakteristiky a nevyžadujú obvody na reguláciu teploty.
(4) Účinnosť väzby Za normálnych podmienok aplikácie je prevádzkový prúd LED 50-150 mA a výstupný výkon je niekoľko miliwattov. Pretože uhol divergencie lúča emitovaného LED je veľký, účinnosť spojenia s optickým vláknom je nízka a výkon vlákna je oveľa menší. Vo všeobecnosti je vhodný len na prenos na krátke vzdialenosti.
(5) Modulačné charakteristiky: LED diódy majú nízke modulačné frekvencie. Za normálnych prevádzkových podmienok je medzná frekvencia povrchových-vyžarujúcich diód LED 20-30 MHz a medzná frekvencia diód LED s okrajovým vyžarovaním je 100 – 150 MHz, najmä kvôli obmedzenej životnosti nosiča.
Porovnanie laserov (LD) a LED
V porovnaní s optickými diódami (LD) majú LED diódy nižší výstupný výkon, väčšiu šírku spektrálnej čiary a nižšiu modulačnú frekvenciu. LED diódy však ponúkajú stabilný výkon, dlhú životnosť, jednoduché použitie, široký lineárny rozsah výstupného výkonu a sú jednoduchšie na výrobu a lacnejšie.
LED diódy sú zvyčajne spojené s multimódovými optickými vláknami pre nízkokapacitné optické komunikačné systémy na krátke{1}}diaľky s vlnovými dĺžkami 1,31 μm alebo 0,85 μm.
Laserové diódy (LD) sú zvyčajne spojené s jedno{0}}vláknovým vláknom pre vysokokapacitné-optické komunikačné systémy na veľké vzdialenosti- pri vlnových dĺžkach 1,31 μm alebo 1,55 μm.
Lasery s distribuovanou spätnou väzbou (DFB-LD) sú tiež primárne spojené s jedno-vláknom alebo špeciálne navrhnutým jednovidovým-vláknom pre nové vysokokapacitné systémy optických vlákien s vlnovou dĺžkou 1,55 μm, čo je v súčasnosti hlavný trend vo vývoji komunikácie s optickými vláknami.
