Принцип роботи світло{0}}діода
Світло{0}}діоди (світлодіоди), що використовуються вволоконно-оптичнийкомунікації випромінюють невидиме інфрачервоне світло, тоді як світлодіоди, що використовуються в дисплеях, випромінюють видиме світло, наприклад червоне та зелене світло. Проте їхні механізми-випромінювання світла по суті однакові. Процес випромінювання світлодіода в основному відповідає процесу спонтанного випромінювання світла. Коли інжектується прямий струм, інжектовані не-рівноважні носії рекомбінуються під час дифузії, випромінюючи світло. Отже, світлодіоди є некогерентними джерелами світла і не є пороговими пристроями; їх вихідна потужність в основному пропорційна введеному струму.
Світлодіоди мають широку спектральну ширину (30-60 нм) і великий кут випромінювання. У низько-цифровому зв’язку та вузько-аналогових системах зв’язку світлодіоди є оптимальним джерелом світла. Порівняно з лазерами схеми керування світлодіодами простіші, вони пропонують більший обсяг виробництва та меншу вартість.
Різниця між світлодіодами та лазерами полягає в тому, що світлодіоди не мають оптичної резонансної порожнини і не можуть генерувати лазерне світло. Вони обмежені спонтанним випромінюванням, випромінюючи некогерентне світло. З іншого боку, лазери мають стимульоване випромінювання, випромінюючи когерентне світло.
Світлодіодна структура
Світлодіоди також переважно використовують чіпи з подвійним гетеропереходом. Різниця полягає в тому, що світлодіоди не мають поверхонь спайності, тобто в них відсутні оптичні резонансні порожнини, і оскільки вони не коливаються, як лазери, вони не мають оптичного резонансу. Світлодіоди поділяються на дві основні категорії: поверхневі-світлодіоди та крайові-світлодіоди. Структуру світлодіода, що випромінює поверхню, показано на малюнку 3-11, а структуру світлодіода, що випромінює край, — на малюнку 3-12.
Рисунок 3-11 Структура поверхнево-випромінюючого ЛЕD
Світлодіоди з краєвим-випромінюванням також використовують структуру подвійного гетеропереходу. Використовуючи технологію маски SiO2, контактний електрод у формі стрічки (40-50 мм), перпендикулярний до торця, формується на контактній поверхні у формі стрічки-, таким чином визначаючи ширину активного шару. Одночасно додається шар оптичного хвилеводу для подальшого посилення утримання світла, направляючи світлове випромінювання, що генерується в активній області, до випромінюючої поверхні, тим самим покращуючи ефективність об’єднання з оптичним волокном. Один кінець активного шару покрито плівкою з високим -коефіцієнтом відбиття, а інший кінець — анти{12}}відбиваючою плівкою для досягнення односпрямованого випромінювання світла. У напрямку, перпендикулярному площині з’єднання, кут розбіжності становить приблизно 30 градусів, демонструючи вищу ефективність вихідного зв’язку, ніж світлодіоди з поверхневим випромінюванням.
На малюнку 3-12 показано структуру світлодіода з краєвим випромінюванням
Характеристики роботи світлодіодів
(1) Спектральні характеристики: спектральна ширина лінії ΔA світлодіодів набагато ширша, ніж у лазерів. Спектр випромінювання світлодіодів InGaAsP показано на малюнку 3-13.
Рисунок 3-13 Спектр випромінювання світлодіода InGaAsP
Оскільки світлодіоди не мають оптичної резонансної порожнини для вибору довжини хвилі, їх спектр в основному базується на спонтанному випромінюванні, що призводить до широкої спектральної ширини лінії. Довжина хвилі, що відповідає максимальній інтенсивності світла на спектральній кривій, називається піковою довжиною хвилі випромінювання λp, а різниця довжин хвиль Δλ між двома половинами -точок інтенсивності на спектральній кривій називається спектральною шириною світлодіодної лінії (або просто спектральною шириною), яка є величиною, пов’язаною з температурою T і довжиною хвилі λ.
У формулі c — швидкість світла у вакуумі; h – постійна Планка, h=6.625 × 10⁻³4 Дж·с; і k — постійна Больцмана, k=1.38 × 10⁻ Дж/К.
Як видно з рівняння (3-10), спектральна ширина збільшується зі збільшенням довжини хвилі випромінювання λ відповідно до λ². Зазвичай спектральна ширина світлодіодів із короткою-довжиною хвилі (GaAlAs-GaAs) становить 10~50 нм, а ширина спектра світлодіодів із довгою-хвильою (InGaAsP-InP) становить 50~120 нм.
Ширина спектру збільшується зі збільшенням концентрації легування активного шару. Світлодіоди з поверхневим-випромінюванням, як правило, сильно леговані, а світлодіоди з краєвим-випромінюванням — злегка; тому світлодіоди з поверхневим{3}}випромінюванням мають ширшу спектральну ширину. Крім того, сильне легування зміщує довжину хвилі випромінювання в бік більшої довжини хвилі. Крім того, зміни температури та зміни в розподілі енергії носія також викликають зміни спектральної ширини.
(2) Характеристики вихідної оптичної потужності Характеристика P-I світлодіода стосується співвідношення між вихідною оптичною потужністю та інжекційним струмом, як показано на малюнку 3-14. Як видно з рисунка 3-14, поверхневі-випромінювальні пристрої мають вищу потужність, але схильні до насичення при високих струмах інжекції; у той час як пристрої з периферійним{10}}випромінюванням мають відносно меншу потужність. Загалом, за однакового інжекційного струму вихідна оптична потужність світлодіода, що випромінює поверхню, у 2,5–3 рази більша, ніж світлодіод, що випромінює край. Це пояснюється тим, що світлодіоди з краєвим випромінюванням піддаються більшому поглинанню та рекомбінації інтерфейсу.
Рисунок 3-14 PI-характеристики світлодіода
(3) Температурні характеристики Оскільки світлодіоди є безпороговими пристроями, вони мають хороші температурні характеристики і не потребують схем контролю температури.
(4) Ефективність з’єднання За нормальних умов застосування робочий струм світлодіода становить 50-150 мА, а вихідна потужність становить кілька міліват. Оскільки кут розбіжності променя, випромінюваного світлодіодом, великий, ефективність зв’язку з оптичним волокном низька, а потужність волокна набагато менша. Зазвичай він підходить лише для передачі на короткі відстані.
(5) Характеристики модуляції: світлодіоди мають низькі частоти модуляції. За нормальних робочих умов гранична частота світлодіодів, що випромінюють поверхню, становить 20-30 МГц, а частота зрізу світлодіодів, що випромінюють край, становить 100-150 МГц, головним чином через обмеження терміну служби носія.
Порівняння лазерів (LD) і світлодіодів
У порівнянні з оптичними діодами (ЛД) світлодіоди мають нижчу вихідну потужність, більш широку спектральну ширину лінії та меншу частоту модуляції. Однак світлодіоди забезпечують стабільну роботу, тривалий термін служби, легкість у використанні, широкий лінійний діапазон вихідної потужності, а також є простішими у виготовленні та менш дорогими.
Світлодіоди зазвичай поєднуються з багатомодовими оптичними волокнами для мало{0}}пропускних систем оптичного зв’язку на короткі-відстані з довжинами хвиль 1,31 мкм або 0,85 мкм.
Лазерні діоди (LD) зазвичай поєднуються з одномодовим-волокном для оптичних систем зв’язку великої-пропускної здатності-на великі відстані на довжинах хвиль 1,31 мкм або 1,55 мкм.
Лазери з розподіленим зворотним зв’язком (DFB-LD) також переважно поєднуються з одномодовим-волокном або спеціально розробленим одномодовим-волокном для нових оптоволоконних систем високої-ємності на довжині хвилі 1,55 мкм, що наразі є основною тенденцією розвитку оптоволоконного зв’язку.
