Načelo delovanja svetleče-diode
Svetleče-diode (LED), ki se uporabljajo voptična vlaknakomunikacija oddaja nevidno infrardečo svetlobo, medtem ko LED, ki se uporabljajo v zaslonih, oddajajo vidno svetlobo, kot sta rdeča in zelena svetloba. Vendar so njihovi-mehanizmi oddajanja svetlobe v bistvu enaki. Emisijski proces LED v glavnem ustreza procesu spontanega oddajanja svetlobe. Ko je vbrizgan tok naprej, se vbrizgani ne-ravnotežni nosilci rekombinirajo med difuzijo in oddajajo svetlobo. Zato so svetleče diode nekoherentni viri svetlobe in niso naprave za mejne vrednosti; njihova izhodna moč je v bistvu sorazmerna z vbrizganim tokom.
LED diode imajo široko spektralno širino (30–60 nm) in velik kot sevanja. V nizko{3}}hitrostnih digitalnih komunikacijah in ozko-pasovnih analognih komunikacijskih sistemih so LED diode optimalen vir svetlobe. V primerjavi z laserji so pogonska vezja LED enostavnejša, ponujajo večji obseg proizvodnje in nižje stroške.
Razlika med LED in laserji je v tem, da LED nimajo optične resonančne votline in ne morejo ustvarjati laserske svetlobe. Omejeni so na spontano sevanje, ki oddaja nekoherentno svetlobo. Laserji pa so stimulirana emisija, ki oddaja koherentno svetlobo.
Struktura LED
Tudi LED-ji večinoma uporabljajo dvojne heterospojne čipe. Razlika je v tem, da LED nimajo razcepnih površin, kar pomeni, da nimajo optičnih resonančnih votlin, in ker ne nihajo kot laserji, nimajo optične resonance. LED-diode so razdeljene v dve glavni kategoriji: LED-diode, ki-oddajajo površino, in LED-diode, ki-oddajajo rob. Struktura površinsko-oddajajoče diode LED je prikazana na sliki 3-11, struktura LED-diode, ki oddaja rob, pa je prikazana na sliki 3-12.
Slika 3-11 Struktura površinsko sevajočega LED
Svetleče diode-, ki oddajajo robove, uporabljajo tudi strukturo dvojnega heterospojnika. Z uporabo tehnologije maske SiO2 se na kontaktni površini v obliki traku- oblikuje kontaktna elektroda v obliki-traka (40-50 mm), ki je pravokotna na končno stran, in tako določa širino aktivne plasti. Hkrati je dodana optična valovodna plast za nadaljnje izboljšanje zadrževanja svetlobe, ki vodi svetlobno sevanje, ustvarjeno v aktivnem območju, do oddajne površine, s čimer se izboljša učinkovitost združevanja z optičnim vlaknom. En konec aktivne plasti je prevlečen s filmom z visoko-odbojnostjo, drugi konec pa s filmom proti-odboju, da se doseže enosmerno oddajanje svetlobe. V smeri, ki je pravokotna na spojno ravnino, je divergenčni kot približno 30 stopinj, kar kaže višjo izhodno učinkovitost sklopitve kot LED, ki oddajajo površino.
Slika 3-12 prikazuje strukturo LED, ki oddaja rob
Delovne značilnosti LED
(1) Spektralne značilnosti: Spektralna širina črte ΔA LED je veliko širša kot pri laserjih. Emisijski spekter LED diod InGaAsP je prikazan na sliki 3-13.
Slika 3-13 Emisijski spekter InGaAsP LED
Ker LED diode nimajo optične resonančne votline za izbiro valovnih dolžin, njihov spekter temelji predvsem na spontani emisiji, kar ima za posledico široko spektralno širino črte. Valovna dolžina, ki ustreza največji svetlobni jakosti na spektralni krivulji, se imenuje valovna dolžina vrha emisije λp, razlika valovnih dolžin Δλ med dvema točkama pol-intenzivnosti na spektralni krivulji pa se imenuje širina spektralne črte LED (ali preprosto spektralna širina), ki je količina, povezana s temperaturo T in valovno dolžino λ.
V formuli je c hitrost svetlobe v vakuumu; h je Planckova konstanta, h=6.625 × 10⁻³4 J·s; in k je Boltzmannova konstanta, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Kot je razvidno iz enačbe (3-10), se spektralna širina povečuje s povečanjem valovne dolžine sevanja λ glede na λ². Na splošno je spektralna širina LED s kratko-valovno dolžino (GaAlAs-GaAs) 10~50 nm, spektralna širina LED z dolgo-valovno dolžino (InGaAsP-InP) pa 50~120 nm.
Spektralna širina se poveča z naraščajočo koncentracijo dopinga aktivne plasti. LED-diode, ki oddajajo površino, so na splošno močno dopirane, medtem ko so LED-diode, ki oddajajo rob-, rahlo dopirane; zato imajo površinsko{3}}svetleče diode širšo spektralno širino. Poleg tega močno dopiranje premakne valovno dolžino emisije proti daljšim valovnih dolžinam. Poleg tega temperaturne spremembe in variacije v porazdelitvi nosilne energije povzročajo tudi spremembe spektralne širine.
(2) Karakteristike izhodne optične moči. Karakteristika P-I LED se nanaša na razmerje med izhodno optično močjo in vbrizgalnim tokom, kot je prikazano na sliki 3-14. Kot je razvidno iz slike 3-14, imajo površinske-oddajne naprave večjo moč, vendar so nagnjene k nasičenju pri visokih vbrizgalnih tokovih; medtem ko imajo naprave z robnim{10}}oddajanjem razmeroma nižjo moč. Na splošno je pri enakem vbrizgalnem toku izhodna optična moč LED, ki oddaja-površino, 2,5- do 3-krat večja kot pri LED, ki oddaja rob. To je zato, ker so LED diode, ki oddajajo robove, podvržene večji absorpciji in rekombinaciji vmesnikov.
Slika 3-14 PI značilnosti LED
(3) Temperaturne značilnosti Ker so svetleče diode naprave brez praga, imajo dobre temperaturne lastnosti in ne potrebujejo tokokrogov za nadzor temperature.
(4) Učinkovitost sklopitve V normalnih pogojih uporabe je delovni tok LED 50-150mA, izhodna moč pa je nekaj milivatov. Ker je divergentni kot žarka, ki ga oddaja LED, velik, je učinkovitost spajanja z optičnimi vlakni nizka, moč vlakna pa je veliko manjša. Na splošno je primeren samo za prenos na kratke razdalje.
(5) Značilnosti modulacije: LED diode imajo nizke frekvence modulacije. V normalnih delovnih pogojih je mejna frekvenca LED, ki oddajajo površino, 20-30MHz, mejna frekvenca LED, ki oddajajo rob, pa je 100–150MHz, predvsem zaradi omejitve življenjske dobe nosilca.
Primerjava laserjev (LD) in LED
V primerjavi z optičnimi diodami (LD) imajo LED nižjo izhodno moč, širšo spektralno širino črte in nižjo frekvenco modulacije. Vendar LED-diode nudijo stabilno delovanje, dolgo življenjsko dobo, enostavno uporabo, širok linearni razpon izhodne moči ter so enostavnejše za izdelavo in cenejše.
Svetleče diode so običajno povezane z večmodnimi optičnimi vlakni za nizko{0}}zmogljive optične komunikacijske sisteme na kratke-razdalje z valovno dolžino 1,31 μm ali 0,85 μm.
Laserske diode (LD) so običajno povezane z eno-optičnimi vlakni za visoko{1}}zmogljive optične komunikacijske sisteme na velike{2}}razdalje pri valovnih dolžinah 1,31 μm ali 1,55 μm.
Laserji s porazdeljeno povratno zvezo (DFB-LD) so prav tako primarno sklopljeni z eno-optičnimi vlakni ali posebej zasnovanimi eno-načinskimi vlakni za nove visoko{3}}zmogljive sisteme optičnih vlaken pri valovni dolžini 1,55 μm, kar je trenutno glavni trend v razvoju komunikacije z optičnimi vlakni.
