ไดโอดเปล่งแสง-

หลักการทำงานของไดโอดเปล่งแสง-

แสง-ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ใช้ในใยแก้วนำแสงการสื่อสารจะปล่อยแสงอินฟราเรดที่มองไม่เห็น ในขณะที่ LED ที่ใช้ในจอแสดงผลจะปล่อยแสงที่มองเห็นได้ เช่น แสงสีแดงและสีเขียว อย่างไรก็ตาม กลไกการเปล่งแสง-ของพวกมันโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน กระบวนการเปล่งแสงของ LED ส่วนใหญ่จะสอดคล้องกับกระบวนการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเอง เมื่อมีการฉีดกระแสไปข้างหน้า สารพาหะที่ไม่-ที่สมดุลที่ถูกฉีดจะรวมตัวกันอีกครั้งระหว่างการแพร่กระจายและเปล่งแสง ดังนั้นไฟ LED จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ต่อเนื่องกันและไม่ใช่อุปกรณ์เกณฑ์ กำลังขับของพวกมันนั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ฉีดเข้าไป

LED มีความกว้างสเปกตรัมกว้าง (30–60 นาโนเมตร) และมีมุมการแผ่รังสีขนาดใหญ่ ในระบบการสื่อสารดิจิทัลความเร็วต่ำ-และระบบการสื่อสารแบบอะนาล็อกแบนด์วิธ-แบนด์วิดท์ที่แคบ LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์แล้ว วงจรขับเคลื่อน LED นั้นง่ายกว่า และมีปริมาณการผลิตที่สูงกว่าและต้นทุนที่ต่ำกว่า

ความแตกต่างระหว่าง LED และเลเซอร์ก็คือ LED ไม่มีช่องสะท้อนแสงและไม่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้ พวกมันถูกจำกัดอยู่เพียงการปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเองและเปล่งแสงที่ไม่ต่อเนื่องกัน ในทางกลับกัน เลเซอร์เป็นการกระตุ้นให้เกิดการปล่อยแสงที่ต่อเนื่องกัน

โครงสร้าง LED

ไฟ LED ส่วนใหญ่ยังใช้ชิปเฮเทอโรจังก์ชั่นคู่ ความแตกต่างก็คือ LED ไม่มีพื้นผิวที่แตกแยก ซึ่งหมายความว่าไม่มีโพรงเรโซแนนซ์ทางแสง และเนื่องจากไม่สั่นเหมือนเลเซอร์ จึงไม่มีการสั่นพ้องทางแสง LED แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: LED เปล่งแสง-ที่พื้นผิวและ- LED เปล่งแสงที่ขอบ โครงสร้างของ LED ที่เปล่งแสงที่พื้นผิวจะแสดงในรูปที่ 3-11 และโครงสร้างของ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบจะแสดงในรูปที่ 3-12

รูปที่ 3-11 โครงสร้างของ LE ที่เปล่งแสงที่พื้นผิวD

ไฟ LED เปล่งแสงที่ขอบ-ยังใช้โครงสร้างจุดแยกคู่อีกด้วย ด้วยการใช้เทคโนโลยีมาสก์ SiO2 อิเล็กโทรดสัมผัสที่มีรูปทรงเป็นแถบ- (40-50 มม.) ซึ่งตั้งฉากกับพื้นผิวส่วนปลายจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวสัมผัสที่มีรูปทรงเป็นแถบ- ดังนั้นจึงกำหนดความกว้างของชั้นที่ใช้งานอยู่ ในขณะเดียวกัน ชั้นนำคลื่นแสงจะถูกเพิ่มเพื่อเพิ่มการจำกัดแสง โดยนำทางการแผ่รังสีแสงที่เกิดขึ้นในบริเวณแอคทีฟไปยังพื้นผิวเปล่งแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการรวมเข้ากับใยแก้วนำแสง ปลายด้านหนึ่งของชั้นที่ใช้งานอยู่เคลือบด้วยฟิล์มสะท้อนแสงสูง- และปลายอีกด้านหนึ่งด้วยฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน- เพื่อให้เกิดการปล่อยแสงในทิศทางเดียว ในทิศทางที่ตั้งฉากกับระนาบทางแยก มุมที่แตกต่างจะอยู่ที่ประมาณ 30 องศา ซึ่งแสดงประสิทธิภาพการเชื่อมต่อเอาท์พุตที่สูงกว่า LED ที่เปล่งแสงที่พื้นผิว

รูปที่ 3-12 แสดงโครงสร้างของ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบ

ลักษณะการทำงานของไฟ LED

(1) ลักษณะสเปกตรัม: ความกว้างของเส้นสเปกตรัม ΔA ของ LED นั้นกว้างกว่าเลเซอร์มาก สเปกตรัมการปล่อยแสงของ LED InGaAsP แสดงในรูปที่ 3-13

รูปที่ 3-13 สเปกตรัมการปล่อยแสงของ LED InGaAsP

เนื่องจาก LED ขาดช่องเรโซแนนซ์แสงในการเลือกความยาวคลื่น สเปกตรัมของพวกมันจึงขึ้นอยู่กับการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองเป็นหลัก ส่งผลให้มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่กว้าง ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับความเข้มของการส่องสว่างสูงสุดบนเส้นโค้งสเปกตรัมเรียกว่าความยาวคลื่นสูงสุดของการเปล่งแสง lahp และความแตกต่างของความยาวคลื่น Δแล ระหว่างจุดความเข้มครึ่งสองจุด-บนเส้นโค้งสเปกตรัมเรียกว่าความกว้างของเส้นสเปกตรัม LED (หรือเรียกง่ายๆ ว่าความกว้างสเปกตรัม) ซึ่งเป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ T และความยาวคลื่น แล

ในสูตร c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ h คือค่าคงที่ของพลังค์, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; และ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K

ดังที่เห็นได้จากสมการ (3-10) ความกว้างสเปกตรัมจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นการแผ่รังสี λ ตาม γ² โดยทั่วไป ความกว้างสเปกตรัมของ LED ความยาวคลื่นสั้น- (GaAlAs-GaAs) คือ 10~50 นาโนเมตร และความกว้างสเปกตรัมของ LED ความยาวคลื่นยาว- (InGaAsP-InP) คือ 50~120 นาโนเมตร

ความกว้างของสเปกตรัมจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของสารต้องห้ามในชั้นที่เพิ่มขึ้น โดยทั่วไปแล้ว LED เปล่งแสงที่พื้นผิว-จะมีการเจืออย่างหนัก ในขณะที่ไฟ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบ-นั้นจะมีการเจือเล็กน้อย ดังนั้น ไฟ LED ที่เปล่งแสงบนพื้นผิว-จึงมีความกว้างสเปกตรัมที่กว้างกว่า นอกจากนี้ การเติมสารในปริมาณมากจะเปลี่ยนความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาไปสู่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความแปรผันของการกระจายพลังงานของตัวพายังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความกว้างของสเปกตรัมด้วย

(2) คุณลักษณะของกำลังแสงเอาท์พุต คุณลักษณะ P-I ของ LED หมายถึงความสัมพันธ์ระหว่างกำลังแสงเอาท์พุตและกระแสการฉีด ดังแสดงในรูปที่ 3-14 ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 3-14 อุปกรณ์เปล่งแสงที่พื้นผิว-มีกำลังสูงกว่า แต่มีแนวโน้มที่จะอิ่มตัวที่กระแสการฉีดสูง ในขณะที่อุปกรณ์ส่งคลื่นขอบ-มีพลังงานค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปแล้ว ภายใต้กระแสการฉีดเดียวกัน พลังงานแสงเอาท์พุตของ LED ที่เปล่งแสงที่พื้นผิว-จะมากกว่าของ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบ 2.5 ถึง 3 เท่า เนื่องจากไฟ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบอาจมีการดูดซับและการรวมตัวกันของอินเทอร์เฟซมากขึ้น

รูปที่ 3-คุณลักษณะ 14 PI ของ LED

(3) ลักษณะอุณหภูมิ เนื่องจาก LED เป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีเกณฑ์ จึงมีลักษณะอุณหภูมิที่ดีและไม่จำเป็นต้องใช้วงจรควบคุมอุณหภูมิ

(4) ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ กระแสไฟในการทำงานของ LED คือ 50-150mA และกำลังเอาต์พุตไม่กี่มิลลิวัตต์ เนื่องจากมุมที่แตกต่างของลำแสงที่ปล่อยออกมาจาก LED มีขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ออปติกจึงต่ำ และกำลังของไฟเบอร์ก็น้อยกว่ามาก โดยทั่วไปจะเหมาะสำหรับการส่งสัญญาณระยะสั้นเท่านั้น

(5) ลักษณะการมอดูเลต: LED มีความถี่การมอดูเลตต่ำ ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ความถี่ตัดของ LED ที่เปล่งแสงที่พื้นผิว-คือ 20-30MHz และความถี่ตัดของ LED ที่เปล่งแสงที่ขอบคือ 100-150MHz สาเหตุหลักมาจากข้อจำกัดของอายุการใช้งานของพาหะ

การเปรียบเทียบเลเซอร์ (LD) และ LED

เมื่อเปรียบเทียบกับออปติคัลไดโอด (LD) ไฟ LED มีกำลังเอาต์พุตต่ำกว่า ความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่กว้างกว่า และความถี่มอดูเลตต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม LED ให้ประสิทธิภาพที่มั่นคง อายุการใช้งานยาวนาน ใช้งานง่าย มีช่วงกำลังเอาต์พุตเชิงเส้นที่กว้าง และผลิตได้ง่ายกว่าและมีราคาถูกกว่า

โดยทั่วไปแล้ว LED จะจับคู่กับไฟเบอร์ออปติกแบบมัลติโหมดสำหรับระบบการสื่อสารด้วยแสง-ความจุต่ำ-ในระยะไกลที่มีความยาวคลื่น 1.31μm หรือ 0.85μm

โดยทั่วไปเลเซอร์ไดโอด (LD) จะจับคู่กับไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-สำหรับระบบการสื่อสารด้วยแสงระยะไกล-ความจุสูง-ที่ความยาวคลื่น 1.31 μm หรือ 1.55 μm

เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย (DFB-LDs) ยังจับคู่กับไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-เป็นหลักหรือไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-ที่ออกแบบเป็นพิเศษสำหรับระบบไฟเบอร์ออปติกความจุสูง-ใหม่ที่ความยาวคลื่น 1.55 μm ซึ่งปัจจุบันเป็นแนวโน้มหลักในการพัฒนาการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก