Principi de funcionament del díode-emissor de llum
-Díodes emissors de llum (LED) utilitzatsfibra òpticaLa comunicació emet llum infraroja invisible, mentre que els LED utilitzats a les pantalles emeten llum visible, com ara llum vermella i verda. Tanmateix, els seus-mecanismes d'emissió de llum són essencialment els mateixos. El procés d'emissió d'un LED correspon principalment al procés d'emissió espontània de llum. Quan s'injecta un corrent directe, els portadors sense -equilibri injectats es recombinen durant la difusió, emetent llum. Per tant, els LED són fonts de llum incoherents i no són dispositius de llindar; la seva potència de sortida és bàsicament proporcional al corrent injectat.
Els LED tenen una amplada espectral àmplia (30–60 nm) i un angle de radiació gran. En els sistemes de comunicacions digitals de baixa-velocitat i de comunicacions analògiques-d'ample de banda estret, els LED són la font de llum òptima. En comparació amb els làsers, els circuits de conducció LED són més senzills i ofereixen un volum de producció més elevat i un cost més baix.
La diferència entre els LED i els làsers és que els LED no tenen una cavitat de ressonància òptica i no poden generar llum làser. Es limiten a l'emissió espontània, emetent llum incoherent. Els làsers, en canvi, són d'emissió estimulada, emetent llum coherent.
Estructura LED
Els LED també utilitzen principalment xips d'heterounió doble. La diferència és que els LED no tenen superfícies d'escissió, és a dir, no tenen cavitats ressonants òptiques, i com que no oscil·len com els làsers, no tenen ressonància òptica. Els LED es divideixen en dues categories principals: LED d'emissió de superfície-i LED d'emissió-de vora. L'estructura d'un LED d'emissió de superfície-es mostra a la figura 3-11, i l'estructura d'un LED d'emissió de vora es mostra a la figura 3-12.
Figura 3-11 Estructura d'un LE d'emissió superficialD
Els LED-emissors de vora també utilitzen una estructura d'heterounió doble. Utilitzant la tecnologia de màscara de SiO2, es forma un elèctrode de contacte en forma de tira-(40-50 mm) perpendicular a la cara extrema a la superfície de contacte en forma de tira-, definint així l'amplada de la capa activa. Simultàniament, s'afegeix una capa de guia d'ones òptica per millorar encara més el confinament de la llum, guiant la radiació lumínica generada a la regió activa cap a la superfície emissora, millorant així l'eficiència de combinació amb la fibra òptica. Un extrem de la capa activa està recobert amb una pel·lícula d'alta-reflectància, i l'altre extrem amb una pel·lícula anti-reflex per aconseguir una emissió de llum unidireccional. En la direcció perpendicular al pla d'unió, l'angle de divergència és d'aproximadament 30 graus, mostrant una eficiència d'acoblament de sortida més alta que els LED que emeten la superfície.
La figura 3-12 mostra l'estructura d'un LED que emet vores
Característiques de funcionament del LED
(1) Característiques espectrals: l'amplada de línia espectral ΔA dels LED és molt més àmplia que la dels làsers. L'espectre d'emissió dels LED InGaAsP es mostra a la figura 3-13.
Figura 3-13 Espectre d'emissió del LED InGaAsP
Com que els LED no tenen una cavitat ressonant òptica per seleccionar longituds d'ona, el seu espectre es basa principalment en l'emissió espontània, donant lloc a una amplada de línia espectral àmplia. La longitud d'ona corresponent a la intensitat lluminosa màxima a la corba espectral s'anomena longitud d'ona màxima d'emissió λp, i la diferència de longitud d'ona Δλ entre els dos punts d'intensitat mitja - de la corba espectral s'anomena amplada de línia espectral del LED (o simplement amplada espectral), que és una quantitat relacionada amb la temperatura T i la longitud d'ona.
A la fórmula, c és la velocitat de la llum en el buit; h és la constant de Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; i k és la constant de Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Com es pot veure a l'equació (3-10), l'amplada espectral augmenta amb l'augment de la longitud d'ona de radiació λ segons λ². En general, l'amplada espectral dels LED de longitud d'ona curta (GaAlAs-GaAs) és de 10 ~ 50 nm i l'amplada espectral dels LED de longitud d'ona llarga (InGaAsP-InP) és de 50 ~ 120 nm.
L'amplada espectral augmenta amb l'augment de la concentració de dopatge de la capa activa. Els LED d'emissió-de superfície generalment estan molt dopats, mentre que els LED d'emissió-de vora estan lleugerament dopats; per tant, els LED d'emissió-de superfície tenen una amplada espectral més àmplia. A més, el dopatge intens canvia la longitud d'ona d'emissió cap a longituds d'ona més llargues. A més, els canvis de temperatura i les variacions en la distribució d'energia portadora també provoquen canvis d'amplada espectral.
(2) Característiques de la potència òptica de sortida La característica P-I d'un LED fa referència a la relació entre la potència òptica de sortida i el corrent d'injecció, tal com es mostra a la figura 3-14. Com es pot veure a la figura 3-14, els dispositius d'emissió-de superfície tenen una potència més alta, però són propensos a la saturació amb corrents d'injecció elevats; mentre que els dispositius{10}}emissors de vora tenen una potència relativament menor. En termes generals, amb el mateix corrent d'injecció, la potència òptica de sortida d'un LED d'emissió-de superfície és de 2,5 a 3 vegades més gran que la d'un LED que emet vores. Això es deu al fet que els LED que emeten vora estan subjectes a més absorció i recombinació de la interfície.
Figura 3-14 característiques PI del LED
(3) Característiques de temperatura Com que els LED són dispositius sense llindar, tenen bones característiques de temperatura i no requereixen circuits de control de temperatura.
(4) Eficàcia de l'acoblament En condicions d'aplicació normals, el corrent de funcionament del LED és de 50-150mA i la potència de sortida és d'uns pocs miliwatts. Com que l'angle de divergència del feix emès pel LED és gran, l'eficiència d'acoblament amb fibra òptica és baixa i la potència de la fibra és molt menor. En general, només és adequat per a transmissió a curta distància.
(5) Característiques de modulació: els LED tenen freqüències de modulació baixes. En condicions normals de funcionament, la freqüència de tall dels LED que emeten la superfície- és de 20-30 MHz i la freqüència de tall dels LED que emeten la vora és de 100-150 MHz, principalment a causa de la limitació de la vida útil del portador.
Comparació de làsers (LD) i LED
En comparació amb els díodes òptics (LD), els LED tenen una potència de sortida més baixa, una amplada de línia espectral més àmplia i una freqüència de modulació més baixa. Tanmateix, els LED ofereixen un rendiment estable, llarga vida útil, facilitat d'ús, un ampli rang lineal de potència de sortida i són més senzills de fabricar i menys costosos.
Els LED solen acoblar-se amb fibres òptiques multimode per a sistemes de comunicació òptica de baixa-capacitat i-distància curta amb longituds d'ona d'1,31 μm o 0,85 μm.
Els díodes làser (LD) s'acoblen normalment amb fibra d'un -mode per a sistemes de comunicació òptica de gran-capacitat i llarga-distància a longituds d'ona d'1,31 μm o 1,55 μm.
Els làsers de retroalimentació distribuïda (DFB-LD) també s'acoblen principalment amb fibra d'un-mode o fibra d'un-mode únic dissenyada especialment per a nous sistemes de fibra òptica d'alta-capacitat a una longitud d'ona d'1,55 μm, que és actualment la principal tendència en el desenvolupament de comunicacions de fibra òptica.
