Принцип работы светодиода-светодиода
Светодиоды-светодиоды (LED), используемые воптоволокносвязь излучает невидимый инфракрасный свет, а светодиоды, используемые в дисплеях, излучают видимый свет, например красный и зеленый свет. Однако механизмы их-излучения света по сути одинаковы. Процесс излучения светодиода в основном соответствует процессу спонтанного излучения света. При инжекции прямого тока инжектированные не-равновесные носители рекомбинируют во время диффузии, излучая свет. Следовательно, светодиоды являются источниками некогерентного света и не являются пороговыми устройствами; их выходная мощность в основном пропорциональна подаваемому току.
Светодиоды имеют широкую спектральную ширину (30–60 нм) и большой угол излучения. В низкоскоростных-цифровых системах связи и узкополосных-аналоговых системах связи светодиоды являются оптимальным источником света. По сравнению с лазерами схемы управления светодиодами проще, они предлагают больший объем производства и более низкую стоимость.
Разница между светодиодами и лазерами заключается в том, что светодиоды не имеют оптического резонансного резонатора и не могут генерировать лазерный свет. Они ограничены спонтанным излучением, испускающим некогерентный свет. Лазеры, с другой стороны, являются стимулированным излучением, излучающим когерентный свет.
Светодиодная структура
В светодиодах также в основном используются чипы с двойным гетеропереходом. Разница в том, что у светодиодов нет поверхностей спайности, то есть у них нет оптических резонансных полостей, и, поскольку они не колеблются, как лазеры, у них нет оптического резонанса. Светодиоды делятся на две основные категории: светодиоды с поверхностным-излучением и светодиоды с краевым-излучением. Структура светодиода поверхностного-излучения показана на рисунке 3-11, а структура светодиода с торцевым излучением показана на рисунке 3-12.
Рисунок 3-11. Структура светодиода поверхностного излучения.D
В светодиодах с краевым-излучением также используется структура с двойным гетеропереходом. Используя технологию маски SiO2, на контактной поверхности в форме полоски-формируется контактный электрод в форме полосы- (40-50 мм), перпендикулярный торцевой поверхности, определяя тем самым ширину активного слоя. Одновременно добавляется слой оптического волновода для дальнейшего улучшения ограничения света, направляя световое излучение, генерируемое в активной области, к излучающей поверхности, тем самым улучшая эффективность объединения с оптическим волокном. Один конец активного слоя покрыт пленкой с высоким-отражающим эффектом, а другой конец - анти-пленкой для достижения однонаправленного излучения света. В направлении, перпендикулярном плоскости перехода, угол расхождения составляет примерно 30 градусов, что демонстрирует более высокую эффективность выходной связи, чем у светодиодов с поверхностным излучением.
На рис. 3-12 показана структура светодиода с граничным излучением.
Рабочие характеристики светодиодов
(1) Спектральные характеристики. Спектральная ширина линии ΔA светодиодов намного шире, чем у лазеров. Спектр излучения светодиодов InGaAsP показан на рисунке 3-13.
Рисунок 3-13 Спектр излучения светодиода InGaAsP
Поскольку у светодиодов отсутствует оптический резонансный резонатор для выбора длины волны, их спектр в основном основан на спонтанном излучении, что приводит к широкой спектральной ширине линии. Длина волны, соответствующая максимальной силе света на спектральной кривой, называется пиковой длиной волны излучения λp, а разница длин волн Δλ между двумя точками половинной - интенсивности света на спектральной кривой называется шириной спектральной линии светодиода (или просто шириной спектра), которая представляет собой величину, связанную с температурой T и длиной волны λ.
В формуле с — скорость света в вакууме; h — постоянная Планка, h=6.625 × 10⁻³⁴ Дж·с; и k — постоянная Больцмана, k=1.38 × 10⁻ Дж/К.
Как видно из уравнения (3-10), ширина спектра увеличивается с увеличением длины волны излучения λ согласно λ². Обычно спектральная ширина коротковолновых-светодиодов (GaAlAs-GaAs) составляет 10–50 нм, а спектральная ширина длинноволновых -светодиодов (InGaAsP-InP) составляет 50–120 нм.
Ширина спектра увеличивается с увеличением концентрации легирования активного слоя. Светодиоды с поверхностным-излучением обычно сильно легированы, тогда как светодиоды с краевым-излучением легированы слабо; следовательно, светодиоды поверхностного-излучения имеют более широкую спектральную ширину. Кроме того, сильное легирование смещает длину волны излучения в сторону более длинных волн. Кроме того, изменения температуры и изменения распределения энергии носителей также вызывают изменения ширины спектра.
(2) Характеристики выходной оптической мощности. Характеристика P-I светодиода относится к взаимосвязи между выходной оптической мощностью и током инжекции, как показано на рисунке 3-14. Как видно из рисунка 3-14, устройства с поверхностным-излучением имеют более высокую мощность, но склонны к насыщению при высоких инжекционных токах; в то время как устройства с краевым-излучением имеют относительно меньшую мощность. Вообще говоря, при том же инжекционном токе выходная оптическая мощность светодиода поверхностного излучения в 2,5–3 раза превышает мощность светодиода краевого излучения. Это связано с тем, что светодиоды с краевым излучением подвержены большему поглощению и рекомбинации интерфейсов.
Рисунок 3.-14 ПИ-характеристики светодиода.
(3) Температурные характеристики. Поскольку светодиоды являются безпороговыми устройствами, они имеют хорошие температурные характеристики и не требуют схем контроля температуры.
(4) Эффективность связи. При нормальных условиях применения рабочий ток светодиода составляет 50-150 мА, а выходная мощность — несколько милливатт. Поскольку угол расхождения луча, излучаемого светодиодом, велик, эффективность связи с оптическим волокном низкая, а мощность волокна намного меньше. Обычно он подходит только для передачи на короткие расстояния.
(5) Характеристики модуляции: светодиоды имеют низкие частоты модуляции. В нормальных условиях эксплуатации частота среза светодиодов поверхностного-излучения составляет 20-30 МГц, а частота среза светодиодов с граничным излучением – 100–150 МГц, главным образом из-за ограничения срока службы несущей.
Сравнение лазеров (ЛД) и светодиодов
По сравнению с оптическими диодами (ЛД), светодиоды имеют меньшую выходную мощность, более широкую спектральную ширину линии и более низкую частоту модуляции. Однако светодиоды обеспечивают стабильную работу, длительный срок службы, простоту использования, широкий линейный диапазон выходной мощности, а также проще в изготовлении и дешевле.
Светодиоды обычно подключаются к многомодовым оптическим волокнам для систем оптической связи малой-емкости и коротких-расстояний с длиной волны 1,31 мкм или 0,85 мкм.
Лазерные диоды (LD) обычно соединяются с одномодовым оптоволокном для создания оптических систем связи высокой-мощности и-дальних расстояний на длинах волн 1,31 мкм или 1,55 мкм.
Лазеры с распределенной обратной связью (DFB-LD) также в основном сочетаются с одномодовым-волокном или специально разработанным одномодовым-волокном для новых волоконно-оптических систем высокой-емкости на длине волны 1,55 мкм, что в настоящее время является основной тенденцией в развитии волоконно-оптической связи.
