Arbetsprincipen för lys-emitterande diod
Ljus-emitterande dioder (LED) som används ifiberoptikkommunikation avger osynligt infrarött ljus, medan lysdioder som används i skärmar avger synligt ljus, som rött och grönt ljus. Deras ljus-emitterande mekanismer är dock i huvudsak desamma. Emissionsprocessen för en LED motsvarar huvudsakligen den spontana emissionsprocessen av ljus. När en framåtström injiceras, rekombinerar de injicerade icke-jämviktsbärarna under diffusion och avger ljus. Därför är lysdioder inkoherenta ljuskällor och är inte tröskelenheter; deras uteffekt är i princip proportionell mot den injicerade strömmen.
Lysdioder har en bred spektral bredd (30–60 nm) och en stor strålningsvinkel. I låg-digital kommunikation och analoga kommunikationssystem med smal-bandbredd är lysdioder den optimala ljuskällan. Jämfört med lasrar är LED-drivkretsar enklare och de erbjuder högre produktionsvolym och lägre kostnad.
Skillnaden mellan lysdioder och lasrar är att lysdioder inte har en optisk resonanshålighet och inte kan generera laserljus. De är begränsade till spontan emission, avger osammanhängande ljus. Lasrar, å andra sidan, är stimulerad emission, som avger sammanhängande ljus.
LED-struktur
Lysdioder använder också oftast dubbla heterojunction-chips. Skillnaden är att lysdioder saknar klyvningsytor, vilket betyder att de saknar optiska resonanshåligheter, och eftersom de inte oscillerar som lasrar har de ingen optisk resonans. Lysdioder är indelade i två huvudkategorier: yt-lysdioder och kant-emitterande lysdioder. Strukturen för en yt-emitterande lysdiod visas i figur 3-11, och strukturen för en kant-emitterande lysdiod visas i figur 3-12.
Figur 3-11 Struktur för en ytemitterande LED
Edge-emitterande lysdioder använder också en dubbel heterojunction-struktur. Med hjälp av SiO2-maskteknik formas en remsformad kontaktelektrod (40-50 mm) vinkelrätt mot ändytan på den remsformade-kontaktytan, vilket definierar bredden på det aktiva lagret. Samtidigt läggs ett optiskt vågledarskikt till för att ytterligare förbättra ljusinneslutningen, vilket leder ljusstrålningen som genereras i det aktiva området till den emitterande ytan, och därigenom förbättra kombinationseffektiviteten med den optiska fibern. Ena änden av det aktiva lagret är belagd med en hög-reflektansfilm och den andra änden med en anti-reflektionsfilm för att uppnå enkelriktad ljusemission. I riktningen vinkelrät mot korsningsplanet är divergensvinkeln ungefär 30 grader, vilket uppvisar högre effektkopplingseffektivitet än ytemitterande lysdioder.
Figur 3-12 visar strukturen för en kantstrålande lysdiod
LED-driftsegenskaper
(1) Spektrala egenskaper: Den spektrala linjebredden ΔA för lysdioder är mycket bredare än för lasrar. Emissionsspektrumet för InGaAsP-lysdioder visas i figur 3-13.
Figur 3-13 Emissionsspektrum för InGaAsP LED
Eftersom lysdioder saknar en optisk resonanshålighet för att välja våglängder, är deras spektrum främst baserat på spontan emission, vilket resulterar i en bred spektral linjebredd. Våglängden som motsvarar den maximala ljusintensiteten på den spektrala kurvan kallas emissionstoppvåglängden λp, och våglängdsskillnaden Δλ mellan de två halva-intensitetspunkterna på spektralkurvan kallas LED-spektrallinjebredden (eller helt enkelt spektralbredd), vilket är en kvantitet som är relaterad till temperatur T och våglängd.
I formeln är c ljusets hastighet i vakuum; h är Plancks konstant, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; och k är Boltzmanns konstant, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Som framgår av ekvation (3-10), ökar den spektrala bredden med ökningen av strålningsvåglängden λ enligt λ². Generellt är den spektrala bredden för lysdioder med kort-våglängd (GaAlAs-GaAs) 10~50nm, och den spektrala bredden för lysdioder med långa-våglängd (InGaAsP-InP) är 50~120nm.
Den spektrala bredden ökar med ökande dopningskoncentration för aktivt skikt. Yt-emitterande lysdioder är i allmänhet kraftigt dopade, medan kant-emitterande lysdioder är lätt dopade; därför har yt-emitterande lysdioder en bredare spektral bredd. Vidare förskjuter kraftig dopning emissionsvåglängden mot längre våglängder. Dessutom orsakar temperaturförändringar och variationer i bärarenergifördelningen också spektrala breddförändringar.
(2) Egenskaper för optisk uteffekt P-I-karakteristiken för en lysdiod hänvisar till förhållandet mellan den optiska uteffekten och insprutningsströmmen, som visas i figur 3-14. Som framgår av figur 3-14 har yt-emitterande enheter högre effekt, men är benägna att mättas vid höga injektionsströmmar; medan edge{10}}emitterande enheter har relativt lägre effekt. Generellt sett, under samma injektionsström, är den optiska uteffekten för en lysdiod som utsänder ytan 2,5 till 3 gånger större än den för en kantutsändande lysdiod. Detta beror på att kant-emitterande lysdioder är föremål för mer absorption och gränssnittsrekombination.
Figur 3-14 PI-egenskaper för LED
(3) Temperaturegenskaper Eftersom lysdioder är tröskellösa enheter har de goda temperaturegenskaper och kräver inga temperaturkontrollkretsar.
(4) Kopplingseffektivitet Under normala applikationsförhållanden är lysdiodens driftström 50-150mA och uteffekten är några milliwatt. Eftersom divergensvinkeln för strålen som sänds ut av LED är stor, är kopplingseffektiviteten med optisk fiber låg och fiberns kraft är mycket mindre. Den är i allmänhet endast lämplig för kortdistansöverföring.
(5) Modulationsegenskaper: Lysdioder har låga moduleringsfrekvenser. Under normala driftsförhållanden är gränsfrekvensen för lysdioder som utsänder ytan 20-30 MHz, och gränsfrekvensen för lysdioder som utsänder kant är 100-150 MHz, främst på grund av begränsningen av bärarlivslängden.
Jämförelse av laser (LD) och lysdioder
Jämfört med optiska dioder (LD) har lysdioder lägre uteffekt, bredare spektral linjebredd och lägre moduleringsfrekvens. Lysdioder erbjuder dock stabil prestanda, lång livslängd, enkel användning, ett brett linjärt utbud av uteffekt och är enklare att tillverka och billigare.
Lysdioder är vanligtvis kopplade med optiska fibrer i flera lägen för optiska kommunikationssystem med låg-kapacitet,-kortdistans med våglängder på 1,31 μm eller 0,85 μm.
Laserdioder (LD) är vanligtvis kopplade med enkel-modfiber för optiska kommunikationssystem med hög-kapacitet och långa-avstånd vid våglängder på 1,31 μm eller 1,55 μm.
Distribuerade återkopplingslasrar (DFB-LD) är också i första hand kopplade med enkel-modfiber eller specialdesignad enkel-modefiber för nya optiska fibersystem med hög-kapacitet vid en våglängd på 1,55 μm, vilket för närvarande är huvudtrenden inom utvecklingen av optisk fiberkommunikation.
