Arbeidsprinsippet for-lysemitterende diode
Lys-emitterende dioder (LED) brukt ifiberoptiskkommunikasjon sender ut usynlig infrarødt lys, mens LED-er som brukes i skjermer sender ut synlig lys, som rødt og grønt lys. Imidlertid er deres-lysemitterende mekanismer i hovedsak de samme. Emisjonsprosessen til en LED tilsvarer hovedsakelig den spontane emisjonsprosessen av lys. Når en foroverstrøm injiseres, rekombinerer de injiserte ikke--likevektsbærerne under diffusjon og sender ut lys. Derfor er LED usammenhengende lyskilder og er ikke terskelenheter; deres utgangseffekt er i utgangspunktet proporsjonal med den injiserte strømmen.
Lysdioder har en bred spektral bredde (30–60 nm) og en stor strålingsvinkel. I lav-digital kommunikasjon og analoge kommunikasjonssystemer med smal-båndbredde er LED den optimale lyskilden. Sammenlignet med lasere er LED-drivkretser enklere, og de tilbyr høyere produksjonsvolum og lavere kostnader.
Forskjellen mellom lysdioder og lasere er at lysdioder ikke har et optisk resonanshulrom og kan ikke generere laserlys. De er begrenset til spontan emisjon, og sender ut usammenhengende lys. Lasere, på den annen side, er stimulert emisjon, og sender ut sammenhengende lys.
LED-struktur
LED-er bruker også for det meste doble heterojunction-brikker. Forskjellen er at lysdioder mangler spalteflater, noe som betyr at de mangler optiske resonanshulrom, og fordi de ikke oscillerer som lasere, har de ingen optisk resonans. Lysdioder er delt inn i to hovedkategorier: overflate-lysende lysdioder og kant-lysende lysdioder. Strukturen til en overflate-emitterende LED er vist i figur 3-11, og strukturen til en kant-emitterende LED er vist i figur 3-12.
Figur 3-11 Strukturen til en overflate-emitterende LED
Edge-emitterende LED-er bruker også en dobbel heterojunction-struktur. Ved å bruke SiO2-masketeknologi, dannes en stripe-formet kontaktelektrode (40-50 mm) vinkelrett på endeflaten på den stripe-formede kontaktflaten, og definerer dermed bredden på det aktive laget. Samtidig legges det til et optisk bølgelederlag for ytterligere å forbedre lysbegrensningen, og lede lysstrålingen generert i det aktive området til den emitterende overflaten, og derved forbedre kombineringseffektiviteten med den optiske fiberen. Den ene enden av det aktive laget er belagt med en film med høy-reflektans, og den andre enden med en anti-refleksfilm for å oppnå ensrettet lysutslipp. I retningen vinkelrett på kryssplanet er divergensvinkelen omtrent 30 grader, og viser høyere utgangskoblingseffektivitet enn overflateavgivende lysdioder.
Figur 3-12 viser strukturen til en kant-emitterende LED
LED-driftsegenskaper
(1) Spektralegenskaper: Den spektrale linjebredden ΔA til lysdioder er mye bredere enn for lasere. Emisjonsspekteret til InGaAsP LED-er er vist i figur 3-13.
Figur 3-13 Emisjonsspekter for InGaAsP LED
Siden lysdioder mangler et optisk resonanshulrom for å velge bølgelengder, er deres spektrum først og fremst basert på spontan emisjon, noe som resulterer i en bred spektral linjebredde. Bølgelengden som tilsvarer den maksimale lysintensiteten på spektralkurven kalles emisjonstoppbølgelengden λp, og bølgelengdeforskjellen Δλ mellom de to halve-intensitetspunktene på spektralkurven kalles LED-spektrallinjebredden (eller ganske enkelt spektralbredden), som er en mengde relatert til temperatur T og bølgelengde.
I formelen er c lysets hastighet 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 man kan se fra ligning (3-10), øker spektralbredden med økningen av strålingsbølgelengden λ i henhold til λ². Generelt er spektralbredden til lysdioder med kort-bølgelengde (GaAlAs-GaAs) 10~50nm, og spektralbredden til lysdioder med lang-bølgelengde (InGaAsP-InP) er 50~120nm.
Spektralbredden øker med økende dopingkonsentrasjon av aktivt lag. Overflate-emitterende lysdioder er generelt sterkt dopet, mens kant-emitterende lysdioder er lett dopet; derfor har overflate-emitterende lysdioder en bredere spektral bredde. Videre forskyver kraftig doping emisjonsbølgelengden mot lengre bølgelengder. I tillegg forårsaker temperaturendringer og variasjoner i fordeling av bærerenergi også spektrale breddeendringer.
(2) Karakteristikk for optisk utgangseffekt P-I-karakteristikken til en LED refererer til forholdet mellom den optiske utgangseffekten og injeksjonsstrømmen, som vist i figur 3-14. Som det kan sees fra figur 3-14, har overflate-emitterende enheter høyere effekt, men er utsatt for metning ved høye injeksjonsstrømmer; mens edge{10}}emitterende enheter har relativt lavere effekt. Generelt sett, under den samme injeksjonsstrømmen, er den optiske utgangseffekten til en overflate-{12}}-emitterende LED 2,5 til 3 ganger større enn den til en kant-emitterende LED. Dette er fordi kant-emitterende lysdioder er gjenstand for mer absorpsjon og grensesnittrekombinasjon.
Figur 3-14 PI-karakteristikk for LED
(3) Temperaturkarakteristikk Siden lysdioder er terskelløse enheter, har de gode temperaturegenskaper og krever ikke temperaturkontrollkretser.
(4) Koblingseffektivitet Under normale bruksforhold er driftsstrømmen til LED 50-150mA og utgangseffekten er noen få milliwatt. Fordi divergensvinkelen til strålen som sendes ut av LED er stor, er koblingseffektiviteten med optisk fiber lav, og kraften til fiberen er mye mindre. Den er vanligvis bare egnet for kortdistanseoverføring.
(5) Modulasjonsegenskaper: LED-er har lave modulasjonsfrekvenser. Under normale driftsforhold er grensefrekvensen for lysdioder som sender ut på overflaten 20-30 MHz, og grensefrekvensen for lysdioder som sender ut kant er 100-150 MHz, hovedsakelig på grunn av begrenset levetid for bærer.
Sammenligning av lasere (LDer) og lysdioder
Sammenlignet med optiske dioder (LD), har LED lavere utgangseffekt, bredere spektral linjebredde og lavere modulasjonsfrekvens. Imidlertid tilbyr LED stabil ytelse, lang levetid, brukervennlighet, et bredt lineært utvalg av utgangseffekt, og er enklere å produsere og rimeligere.
Lysdioder er vanligvis koblet med multimodus optiske fibre for lav-kapasitet, kort{1}}optiske kommunikasjonssystemer med bølgelengder på 1,31 μm eller 0,85 μm.
Laserdioder (LD-er) er vanligvis koblet med enkelt-modusfiber for optiske kommunikasjonssystemer med høy-kapasitet og lang-avstand ved bølgelengder på 1,31 μm eller 1,55 μm.
Distribuerte tilbakemeldingslasere (DFB-LD-er) er også først og fremst koblet med enkelt-modusfiber eller spesialdesignet enkelt-modusfiber for nye optiske fibersystemer med høy-kapasitet ved en bølgelengde på 1,55 μm, som for tiden er hovedtrenden innen utvikling av optisk fiberkommunikasjon.
