Arbejdsprincippet for-lysemitterende diode
Lys-emitterende dioder (LED'er), der bruges ifiberoptiskkommunikation udsender usynligt infrarødt lys, mens LED'er, der bruges i skærme, udsender synligt lys, såsom rødt og grønt lys. Deres lysemitterende-mekanismer er dog stort set de samme. Emissionsprocessen for en LED svarer hovedsageligt til den spontane emissionsproces af lys. Når en fremadgående strøm injiceres, rekombinerer de injicerede ikke--ligevægtsbærere under diffusion og udsender lys. Derfor er LED'er usammenhængende lyskilder og er ikke tærskelenheder; deres udgangseffekt er grundlæggende proportional med den indsprøjtede strøm.
LED'er har en bred spektral bredde (30-60 nm) og en stor strålingsvinkel. I digital kommunikation med lav-hastighed og analoge kommunikationssystemer med smal-båndbredde er LED'er den optimale lyskilde. Sammenlignet med lasere er LED-drivkredsløb enklere, og de tilbyder større produktionsvolumen og lavere omkostninger.
Forskellen mellem LED'er og lasere er, at LED'er ikke har et optisk resonanshulrum og ikke kan generere laserlys. De er begrænset til spontan emission, der udsender usammenhængende lys. Lasere er på den anden side stimuleret emission, der udsender sammenhængende lys.
LED struktur
LED'er bruger også for det meste dobbelte heterojunction-chips. Forskellen er, at LED'er mangler spaltningsoverflader, hvilket betyder, at de mangler optiske resonanshulrum, og fordi de ikke oscillerer som lasere, har de ingen optisk resonans. LED'er er opdelt i to hovedkategorier: overflade-emitterende LED'er og kant-emitterende LED'er. Strukturen af en overflade-emitterende LED er vist i figur 3-11, og strukturen af en kant-emitterende LED er vist i figur 3-12.
Figur 3-11 Struktur af en overflade-emitterende LED
Edge-emitterende LED'er anvender også en dobbelt heterojunction-struktur. Ved hjælp af SiO2-masketeknologi dannes en strimmel-formet kontaktelektrode (40-50 mm) vinkelret på endefladen på den strimmelformede-kontaktflade og definerer dermed bredden af det aktive lag. Samtidig tilføjes et optisk bølgelederlag for yderligere at forbedre lysindeslutningen, der leder lysstrålingen, der genereres i det aktive område, til den emitterende overflade og derved forbedre kombinationseffektiviteten med den optiske fiber. Den ene ende af det aktive lag er belagt med en høj-reflekterende film, og den anden ende med en anti-refleksfilm for at opnå ensrettet lysemission. I retningen vinkelret på forbindelsesplanet er divergensvinklen ca. 30 grader, hvilket udviser højere output-koblingseffektivitet end overflade-emitterende LED'er.
Figur 3-12 viser strukturen af en kant-emitterende LED
LED driftsegenskaber
(1) Spektralegenskaber: Den spektrale linjebredde ΔA af LED'er er meget bredere end lasere. Emissionsspektret for InGaAsP LED'er er vist i figur 3-13.
Figur 3-13 Emissionsspektrum for InGaAsP LED
Da LED'er mangler et optisk resonanshulrum til at vælge bølgelængder, er deres spektrum primært baseret på spontan emission, hvilket resulterer i en bred spektral linjebredde. Bølgelængden svarende til den maksimale lysintensitet på spektralkurven kaldes emissionsspidsbølgelængden λp, og bølgelængdeforskellen Δλ mellem de to halve-intensitetspunkter på spektralkurven kaldes LED-spektrallinjebredden (eller blot spektralbredden), som er en størrelse, der er relateret til temperatur T og bølgelængde.
I formlen er c lysets hastighed i et vakuum; h er Plancks konstant, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; og k er Boltzmanns konstant, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Som det kan ses af ligning (3-10), stiger spektralbredden med stigningen af strålingsbølgelængden λ ifølge λ². Generelt er spektralbredden af lysdioder med kort-bølgelængde (GaAlAs-GaAs) 10~50nm, og spektralbredden af lysdioder med lang-bølgelængde (InGaAsP-InP) er 50~120nm.
Den spektrale bredde øges med stigende aktive lags dopingkoncentration. Overflade-emitterende LED'er er generelt stærkt dopede, mens kant-emitterende LED'er er let dopede; derfor har overflade-emitterende LED'er en bredere spektral bredde. Ydermere flytter kraftig doping emissionsbølgelængden mod længere bølgelængder. Derudover forårsager temperaturændringer og variationer i bærerenergifordelingen også spektrale breddeændringer.
(2) Optisk udgangseffektkarakteristika P-I-karakteristikken for en LED refererer til forholdet mellem den optiske udgangseffekt og injektionsstrømmen, som vist i figur 3-14. Som det kan ses af figur 3-14, har overflade-emitterende enheder højere effekt, men er tilbøjelige til at blive mættet ved høje injektionsstrømme; mens edge{10}}emitterende enheder har relativt lavere effekt. Generelt set er udgangseffekten for en overflade-lysende LED under den samme injektionsstrøm 2,5 til 3 gange større end en kant-emitterende LED. Dette skyldes, at kant-emitterende LED'er er genstand for mere absorption og grænsefladerekombination.
Figur 3-14 PI-karakteristika for LED
(3) Temperaturkarakteristika Da LED'er er tærskelløse enheder, har de gode temperaturegenskaber og kræver ikke temperaturkontrolkredsløb.
(4) Koblingseffektivitet Under normale anvendelsesforhold er LED'ens driftsstrøm 50-150mA, og udgangseffekten er nogle få milliwatt. Fordi divergensvinklen for strålen udsendt af LED er stor, er koblingseffektiviteten med optisk fiber lav, og fiberens effekt er meget mindre. Det er generelt kun egnet til kortdistancetransmission.
(5) Modulationskarakteristika: LED'er har lave moduleringsfrekvenser. Under normale driftsforhold er afskæringsfrekvensen for overflade-emitterende LED'er 20-30MHz, og afskæringsfrekvensen for kant-emitterende LED'er er 100-150MHz, hovedsageligt på grund af begrænsningen af bærerens levetid.
Sammenligning af lasere (LD'er) og LED'er
Sammenlignet med optiske dioder (LD'er) har LED'er lavere udgangseffekt, bredere spektral linjebredde og lavere modulationsfrekvens. LED'er tilbyder dog stabil ydeevne, lang levetid, brugervenlighed, et bredt lineært udvalg af udgangseffekt og er enklere at fremstille og billigere.
LED'er er typisk koblet med multimode optiske fibre til optiske kommunikationssystemer med lav-kapacitet og kort{1}}afstand med bølgelængder på 1,31μm eller 0,85μm.
Laserdioder (LD'er) er typisk koblet med enkelt-mode fiber til høj-kapacitet, lang-optiske kommunikationssystemer ved bølgelængder på 1,31 μm eller 1,55 μm.
Distribuerede feedbacklasere (DFB-LD'er) er også primært koblet med single-mode fiber eller specialdesignet single-mode fiber til nye optiske fibersystemer med høj-kapacitet ved en bølgelængde på 1,55 μm, hvilket i øjeblikket er hovedtendensen inden for optisk fiberkommunikationsudvikling.
