Gaismas{0}}diodes darbības princips
Tiek izmantotas gaismas{0} diodes (LED).optiskā šķiedrakomunikācija izstaro neredzamu infrasarkano gaismu, savukārt displejos izmantotās gaismas diodes izstaro redzamu gaismu, piemēram, sarkanu un zaļu gaismu. Tomēr to gaismas{1}}izstarošanas mehānismi būtībā ir vienādi. Gaismas diodes emisijas process galvenokārt atbilst gaismas spontānas emisijas procesam. Kad tiek ievadīta tiešā strāva, ievadītie ne-līdzsvara nesēji difūzijas laikā rekombinējas, izstarojot gaismu. Tāpēc gaismas diodes ir nesakarīgi gaismas avoti un nav sliekšņa ierīces; to izejas jauda būtībā ir proporcionāla ievadītajai strāvai.
Gaismas diodēm ir plašs spektra platums (30–60 nm) un liels starojuma leņķis. Zema-ātruma digitālās komunikācijas un šauras-joslas platuma analogo sakaru sistēmās gaismas diodes ir optimālais gaismas avots. Salīdzinot ar lāzeriem, LED vadības shēmas ir vienkāršākas, un tās piedāvā lielāku ražošanas apjomu un zemākas izmaksas.
Atšķirība starp gaismas diodēm un lāzeriem ir tāda, ka gaismas diodēm nav optiskās rezonanses dobuma un tās nevar radīt lāzera gaismu. Tie ir ierobežoti līdz spontānai emisijai, kas izstaro nesakarīgu gaismu. No otras puses, lāzeri ir stimulēta emisija, kas izstaro koherentu gaismu.
LED struktūra
Gaismas diodes arī galvenokārt izmanto dubultās heterosavienojuma mikroshēmas. Atšķirība ir tāda, ka gaismas diodēm trūkst šķelšanās virsmu, kas nozīmē, ka tām nav optiskās rezonanses dobumu, un, tā kā tie nesvārstās kā lāzeri, tiem nav optiskās rezonanses. Gaismas diodes ir sadalītas divās galvenajās kategorijās: virsmas-izstarojošās gaismas diodes un malas-izstarojošās gaismas diodes. Virsmas -izstarojošās gaismas diodes struktūra ir parādīta 3
3. attēls-11 Virsmu izstarojoša LE struktūraD
Malas -izstarojošās gaismas diodes izmanto arī dubultu heterosavienojuma struktūru. Izmantojot SiO2 maskas tehnoloģiju, uz sloksnes -formas kontakta virsmas tiek izveidots sloksnes -formas kontakta elektrods (40-50 mm), kas ir perpendikulārs gala virsmai, tādējādi nosakot aktīvā slāņa platumu. Vienlaikus tiek pievienots optiskā viļņvada slānis, lai vēl vairāk uzlabotu gaismas ierobežošanu, virzot aktīvajā reģionā radīto gaismas starojumu uz izstarojošo virsmu, tādējādi uzlabojot apvienošanas efektivitāti ar optisko šķiedru. Viens aktīvā slāņa gals ir pārklāts ar augstas -atstarošanas plēvi, bet otrs gals ar pret-atstarojuma plēvi, lai panāktu vienvirziena gaismas emisiju. Virzienā, kas ir perpendikulārs krustojuma plaknei, novirzes leņķis ir aptuveni 30 grādi, un tam ir augstāka izejas savienojuma efektivitāte nekā virsmu izstarojošām gaismas diodēm.
Attēlā 3-12 ir parādīta malu izstarojoša LED struktūra
LED darbības īpašības
(1) Spektra raksturlielumi: gaismas diožu spektrālais līnijas platums ΔA ir daudz plašāks nekā lāzeriem. InGaAsP gaismas diožu emisijas spektrs ir parādīts 3-13 attēlā.
Attēls 3-13 InGaAsP gaismas diodes emisijas spektrs
Tā kā gaismas diodēm trūkst optiskās rezonanses dobuma, lai izvēlētos viļņu garumus, to spektrs galvenokārt ir balstīts uz spontānu emisiju, kā rezultātā tiek iegūts plašs spektra līnijas platums. Viļņa garumu, kas atbilst maksimālajai gaismas intensitātei spektrālajā līknē, sauc par emisijas maksimālo viļņa garumu λp, un viļņa garuma starpību Δλ starp diviem pusi -intensitātes punktiem spektrālās līknē sauc par LED spektra līnijas platumu (vai vienkārši spektra platumu), kas ir daudzums, kas ir saistīts ar viļņa garumu Tλ.
Formulā c ir gaismas ātrums vakuumā; h ir Planka konstante, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; un k ir Bolcmaņa konstante, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Kā redzams no (3-10) vienādojuma, spektrālais platums palielinās, palielinoties starojuma viļņa garumam λ atbilstoši λ². Parasti īsa-viļņa garuma (GaAlAs-GaAs) gaismas diožu spektrālais platums ir 10–50 nm, bet garo -viļņu garuma (InGaAsP-InP) gaismas diožu spektrālais platums ir 50–120 nm.
Spektrālais platums palielinās, palielinoties aktīvā slāņa dopinga koncentrācijai. Virsmas-izstarojošās gaismas diodes parasti ir stipri leģētas, savukārt malas{2}}izstarojošās gaismas diodes ir viegli leģētas; tādēļ virsmas -izstarojošajām gaismas diodēm ir plašāks spektrālais platums. Turklāt smagais dopings novirza emisijas viļņa garumu uz garākiem viļņu garumiem. Turklāt temperatūras izmaiņas un nesēja enerģijas sadalījuma izmaiņas izraisa arī spektrālā platuma izmaiņas.
(2) Izejas optiskās jaudas raksturlielumi LED P-I raksturlielums attiecas uz attiecību starp izejas optisko jaudu un iesmidzināšanas strāvu, kā parādīts 3. attēlā-14. Kā redzams 3-14. attēlā, virsmas-izstarojošām ierīcēm ir lielāka jauda, taču tās ir pakļautas piesātinājumam pie lielām injekcijas strāvām; savukārt malas{10}}izstarojošām ierīcēm ir salīdzinoši mazāka jauda. Vispārīgi runājot, ar vienu un to pašu iesmidzināšanas strāvu virsmu izstarojošas gaismas diodes izejas optiskā jauda ir 2,5–3 reizes lielāka nekā malu izstarojošai LED. Tas ir tāpēc, ka malas izstarojošās gaismas diodes ir pakļautas lielākai absorbcijai un saskarnes rekombinācijai.
3. attēls-14 PI gaismas diodes raksturlielumi
(3) Temperatūras raksturlielumi Tā kā gaismas diodes ir ierīces bez sliekšņa, tām ir labas temperatūras īpašības un nav nepieciešamas temperatūras kontroles ķēdes.
(4) Savienojuma efektivitāte Normālos lietošanas apstākļos gaismas diodes darba strāva ir 50-150 mA, un izejas jauda ir daži milivati. Tā kā LED izstarotā staru kūļa diverģences leņķis ir liels, savienojuma efektivitāte ar optisko šķiedru ir zema un šķiedras jauda ir daudz mazāka. Parasti tas ir piemērots pārraidei īsos attālumos.
(5) Modulācijas raksturlielumi: gaismas diodēm ir zemas modulācijas frekvences. Normālos darbības apstākļos virsmas -izstarojošo gaismas diožu izslēgšanas frekvence ir 20-30 MHz, bet malas izstarojošo gaismas diožu izslēgšanas frekvence ir 100–150 MHz, galvenokārt nesēja kalpošanas laika ierobežojuma dēļ.
Lāzeru (LD) un gaismas diožu salīdzinājums
Salīdzinot ar optiskajām diodēm (LD), gaismas diodēm ir mazāka izejas jauda, plašāks spektrālais līnijas platums un zemāka modulācijas frekvence. Tomēr gaismas diodes piedāvā stabilu veiktspēju, ilgu kalpošanas laiku, ērtu lietošanu, plašu lineāru izejas jaudas diapazonu, kā arī ir vienkāršāk ražot un lētāk.
Gaismas diodes parasti ir savienotas ar daudzmodu optiskajām šķiedrām zemas-jaudas, neliela attāluma-optisko sakaru sistēmām ar viļņu garumu 1,31 μm vai 0,85 μm.
Lāzerdiodes (LD) parasti tiek savienotas ar viena{0}}moda šķiedru lielas-jaudas, liela attāluma-optisko sakaru sistēmām ar viļņu garumu 1,31 μm vai 1,55 μm.
Izkliedētās atgriezeniskās saites lāzeri (DFB-LD) arī galvenokārt ir savienoti ar vienmoda-šķiedru vai īpaši izstrādātu vienmoda-šķiedru jaunām augstas-kapacitātes optisko šķiedru sistēmām ar viļņa garumu 1,55 μm, kas pašlaik ir galvenā optisko šķiedru sakaru attīstības tendence.
