Zasada działania-diody elektroluminescencyjnej
Diody elektroluminescencyjne (LED) stosowane wświatłowódKomunikacja emituje niewidzialne światło podczerwone, natomiast diody LED stosowane w wyświetlaczach emitują światło widzialne, takie jak światło czerwone i zielone. Jednak ich mechanizmy-emitowania światła są zasadniczo takie same. Proces emisji diody LED odpowiada głównie procesowi spontanicznej emisji światła. Po wstrzyknięciu prądu przewodzenia wprowadzone-nośniki nierównowagowe rekombinują podczas dyfuzji, emitując światło. Dlatego diody LED są niespójnymi źródłami światła i nie są urządzeniami progowymi; ich moc wyjściowa jest w zasadzie proporcjonalna do wtryskiwanego prądu.
Diody LED charakteryzują się szeroką szerokością widmową (30–60 nm) i dużym kątem promieniowania. W systemach komunikacji cyfrowej o małej-szybkości i systemach komunikacji analogowej o wąskiej{4}}przepustowości optymalnym źródłem światła są diody LED. W porównaniu z laserami obwody sterujące LED są prostsze i oferują większą wielkość produkcji i niższe koszty.
Różnica między diodami LED a laserami polega na tym, że diody LED nie mają optycznej wnęki rezonansowej i nie mogą generować światła laserowego. Ograniczają się do emisji spontanicznej, emitując światło niespójne. Lasery natomiast posiadają emisję wymuszoną, emitując spójne światło.
Struktura diody
Diody LED również najczęściej wykorzystują podwójne chipy heterozłączowe. Różnica polega na tym, że diody LED nie mają powierzchni rozszczepiających, co oznacza, że nie mają wnęk rezonansowych optycznych, a ponieważ nie oscylują jak lasery, nie mają rezonansu optycznego. Diody LED dzielą się na dwie główne kategorie: diody LED-z emisją powierzchniową i diody LED-z emisją krawędziową. Strukturę diody LED-emitującej powierzchniowo pokazano na rysunku 3-11, a strukturę diody LED emitującej krawędziowo pokazano na rysunku 3-12.
Rysunek 3-11 Struktura LE emitującego powierzchniowoD
Diody LED-emitujące krawędziowo również wykorzystują strukturę podwójnej heterozłączy. Wykorzystując technologię maski SiO2, na powierzchni styku w kształcie paska-utworzona jest elektroda kontaktowa (40-50 mm) prostopadle do powierzchni czołowej, określając w ten sposób szerokość warstwy aktywnej. Jednocześnie dodawana jest warstwa falowodu optycznego, aby jeszcze bardziej poprawić uwięzienie światła, kierując promieniowanie świetlne generowane w obszarze aktywnym do powierzchni emitującej, poprawiając w ten sposób wydajność łączenia ze światłowodem. Jeden koniec warstwy aktywnej jest pokryty folią-o wysokim współczynniku odbicia, a drugi koniec warstwą przeciwodblaskową-, aby uzyskać jednokierunkową emisję światła. W kierunku prostopadłym do płaszczyzny złącza kąt rozbieżności wynosi około 30 stopni, co oznacza wyższą wydajność sprzęgania wyjściowego niż diody LED emitujące powierzchnię.
Rysunek 3-12 przedstawia strukturę diody LED emitującej krawędzie
Charakterystyka działania diody LED
(1) Charakterystyka widmowa: Szerokość linii widmowej ΔA diod LED jest znacznie szersza niż w przypadku laserów. Widmo emisyjne diod InGaAsP pokazano na rysunku 3-13.
Rysunek 3-13 Widmo emisji diody InGaAsP
Ponieważ diody LED nie mają optycznej wnęki rezonansowej umożliwiającej wybór długości fal, ich widmo opiera się głównie na emisji spontanicznej, co skutkuje szeroką widmową szerokością linii. Długość fali odpowiadająca maksymalnemu natężeniu światła na krzywej widmowej nazywana jest szczytową długością fali emisji λp, a różnica długości fali Δλ pomiędzy dwoma punktami połówkowego-natężenia na krzywej widmowej nazywana jest szerokością linii widmowej diody LED (lub po prostu szerokością widmową), która jest wielkością związaną z temperaturą T i długością fali λ.
We wzorze c jest prędkością światła w próżni; h to stała Plancka, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; oraz k jest stałą Boltzmanna, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Jak widać z równania (3-10), szerokość widma rośnie wraz ze wzrostem długości fali promieniowania λ zgodnie z λ². Ogólnie rzecz biorąc, szerokość widmowa diod LED o krótkiej-fali (GaAlAs-GaAs) wynosi 10 ~ 50 nm, a szerokość widmowa diod LED o długiej-długości fali (InGaAsP-InP) wynosi 50 ~ 120 nm.
Szerokość widmowa wzrasta wraz ze wzrostem stężenia domieszkowania warstwy aktywnej. Diody LED-emitujące powierzchniowo są zazwyczaj silnie domieszkowane, podczas gdy diody LED-emitujące krawędziowo są lekko domieszkowane; dlatego diody LED-emitujące powierzchnię mają szerszą szerokość widma. Ponadto silne domieszkowanie przesuwa długość fali emisji w kierunku dłuższych fal. Ponadto zmiany temperatury i zmiany w rozkładzie energii nośnika również powodują zmiany szerokości widma.
(2) Charakterystyka wyjściowej mocy optycznej Charakterystyka P-I diody LED odnosi się do zależności pomiędzy wyjściową mocą optyczną a prądem wtrysku, jak pokazano na rysunku 3-14. Jak widać na rysunku 3-14, urządzenia emitujące światło powierzchniowe- mają większą moc, ale są podatne na nasycenie przy wysokich prądach wtrysku; podczas gdy urządzenia-emitujące brzegowo mają stosunkowo niższą moc. Ogólnie rzecz biorąc, przy tym samym prądzie wtrysku wyjściowa moc optyczna diody LED-emitującej powierzchniowo jest 2,5 do 3 razy większa niż diody LED emitującej krawędziowo. Dzieje się tak, ponieważ diody LED emitujące krawędzie podlegają większej absorpcji i rekombinacji interfejsów.
Rysunek 3-14 Charakterystyka PI diody LED
(3) Charakterystyka temperaturowa Ponieważ diody LED są urządzeniami bezprogowymi, mają dobrą charakterystykę temperaturową i nie wymagają obwodów kontroli temperatury.
(4) Skuteczność sprzęgania W normalnych warunkach stosowania prąd roboczy diody LED wynosi 50-150 mA, a moc wyjściowa to kilka miliwatów. Ponieważ kąt rozbieżności wiązki emitowanej przez diodę LED jest duży, skuteczność sprzęgania ze światłowodem jest niska, a moc światłowodu jest znacznie mniejsza. Generalnie nadaje się tylko do transmisji na małe odległości.
(5) Charakterystyka modulacji: Diody LED mają niskie częstotliwości modulacji. W normalnych warunkach pracy częstotliwość odcięcia diod LED-emitujących powierzchniowo wynosi 20-30 MHz, a częstotliwość odcięcia diod LED emitujących krawędziowo wynosi 100–150 MHz, głównie ze względu na ograniczenie żywotności nośnika.
Porównanie laserów (LD) i diod LED
W porównaniu do diod optycznych (LD), diody LED mają niższą moc wyjściową, szerszą szerokość widmową linii i niższą częstotliwość modulacji. Jednakże diody LED zapewniają stabilną wydajność, długą żywotność, łatwość obsługi, szeroki liniowy zakres mocy wyjściowej, a także są prostsze w produkcji i tańsze.
Diody LED są zazwyczaj łączone ze światłowodami wielomodowymi w systemach komunikacji optycznej o małej-pojemności i na krótkie{1}}odległości, o długości fali 1,31 μm lub 0,85 μm.
Diody laserowe (LD) są zazwyczaj łączone ze światłowodem jedno-modowym w systemach komunikacji optycznej o dużej-wydajności i-odległościach, na długości fali 1,31 μm lub 1,55 μm.
Lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB-LD) są również głównie łączone ze włóknem-jednomodowym lub specjalnie zaprojektowanym włóknem-jednomodowym do nowych-systemów światłowodowych o dużej przepustowości przy długości fali 1,55 μm, co jest obecnie głównym trendem w rozwoju komunikacji światłowodowej.
