Valgusdioodi{0}}tööpõhimõte
Kasutatakse valgusdioode (LED).fiiberoptilineside kiirgab nähtamatut infrapunavalgust, ekraanidel kasutatavad LED-id aga nähtavat valgust, näiteks punast ja rohelist valgust. Nende valgust kiirgavad-mehhanismid on aga sisuliselt samad. Valgusdioodi kiirgusprotsess vastab peamiselt valguse spontaansele emissiooniprotsessile. Kui süstitakse pärivoolu, rekombineeruvad süstitud mitte-tasakaalukandjad difusiooni ajal, kiirgades valgust. Seetõttu on LED-id ebajärjekindlad valgusallikad ega ole läviseadmed; nende väljundvõimsus on põhimõtteliselt võrdeline sisestatud vooluga.
LED-idel on lai spektraallaius (30–60 nm) ja suur kiirgusnurk. Madala-kiirusega digitaalside ja kitsa-ribalaiusega analoogsidesüsteemides on LED-id optimaalseks valgusallikaks. Võrreldes laseritega on LED-juhtimisahelad lihtsamad ning pakuvad suuremat tootmismahtu ja madalamaid kulusid.
LED-ide ja laserite erinevus seisneb selles, et LED-idel puudub optiline resonantsõõnsus ja nad ei saa laservalgust genereerida. Need on piiratud spontaanse emissiooniga, mis kiirgavad ebaühtlast valgust. Laserid seevastu stimuleerivad emissiooni, kiirgades koherentset valgust.
LED struktuur
Valgusdioodid kasutavad ka enamasti topelt heterosiirde kiipe. Erinevus seisneb selles, et LED-idel puuduvad lõhenemispinnad, mis tähendab, et neil puuduvad optilised resonantsõõnsused ja kuna need ei võngu nagu laserid, puudub neil optiline resonants. LED-id jagunevad kahte põhikategooriasse: pinna-kiirgavad LED-id ja serva-kiirgavad LED-id. Pinna-kiirgava LED-i struktuur on näidatud joonisel 3-11 ja serva kiirgava LED-i struktuur on näidatud joonisel 3-12.
Joonis 3-11 Pinda kiirgava LE struktuurD
Edge{0}}kiirgavad LED-id kasutavad ka kahekordset heterosiirdestruktuuri. Kasutades SiO2 maski tehnoloogiat, moodustatakse riba-kujulisele kontaktpinnale otspinnaga risti olev ribakujuline kontaktelektrood (40-50 mm), mis määrab aktiivse kihi laiuse. Samaaegselt lisatakse optilise lainejuhi kiht, et veelgi suurendada valguse piiramist, suunates aktiivses piirkonnas tekkiva valguskiirguse kiirgavale pinnale, parandades seeläbi optilise kiuga kombineerimise efektiivsust. Aktiivse kihi üks ots on kaetud suure-peegeldusvõimega kilega ja teine ots peegeldusvastase{12}}kilega, et saavutada ühesuunaline valguse emissioon. Ristmistasandiga risti olevas suunas on lahknemisnurk ligikaudu 30 kraadi, mis näitab kõrgemat väljundühenduse efektiivsust kui pinda kiirgavad LED-id.
Joonis 3-12 näitab serva kiirgava LED-i struktuuri
LED tööomadused
(1) Spektri omadused: LED-ide spektraalne joonelaius ΔA on palju laiem kui laseritel. InGaAsP LED-ide kiirgusspekter on näidatud joonisel 3-13.
Joonis 3-13 InGaAsP LED-i kiirgusspekter
Kuna LED-idel puudub lainepikkuste valimiseks optiline resonantsõõnsus, põhineb nende spekter peamiselt spontaansel emissioonil, mille tulemuseks on lai spektraalne laius. Lainepikkust, mis vastab maksimaalsele valgustugevusele spektraalkõveral, nimetatakse emissiooni tipplainepikkuseks λp ja lainepikkuste erinevust Δλ spektraalkõvera kahe pool-intensiivsuspunkti vahel nimetatakse LED-i spektraalseks joonelaiuseks (või lihtsalt spektrilaiuseks), mis on lainepikkusega Tλ seotud suurus.
Valemis c on valguse kiirus vaakumis; h on Plancki konstant, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; ja k on Boltzmanni konstant, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Nagu on näha võrrandist (3-10), suureneb spektri laius koos kiirguse lainepikkuse λ suurenemisega vastavalt λ². Üldiselt on lühikese-lainepikkusega (GaAlAs-GaAs) LED-ide spektraallaius 10–50 nm ja pika-lainepikkusega (InGaAsP-InP) LED-ide spektraallaius 50–120 nm.
Spektri laius suureneb koos aktiivse kihi dopingu kontsentratsiooni suurenemisega. Pinna-kiirgavad LED-id on üldiselt tugevasti legeeritud, samas kui serva{2}}kiirgavad LED-id on kergelt legeeritud; seetõttu on pind-kiirgavate LED-ide spektraallaius suurem. Lisaks nihutab tugev doping emissiooni lainepikkust pikemate lainepikkuste suunas. Lisaks põhjustavad spektraallaiuse muutusi ka temperatuurimuutused ja kandja energiajaotuse kõikumised.
(2) Väljundvõimsuse karakteristikud LED-i P-I karakteristikud viitavad väljundi optilise võimsuse ja sissepritsevoolu vahelisele suhtele, nagu on näidatud joonisel 3-14. Nagu on näha jooniselt 3-14, on pinda kiirgavatel-seadmetel suurem võimsus, kuid need on suure süstimisvoolu korral altid küllastumisele; samas kui serva{10}}emiteerivatel seadmetel on suhteliselt väiksem võimsus. Üldiselt on sama sissepritsevoolu korral pinda kiirgava LED-i optiline väljundvõimsus 2,5–3 korda suurem kui serva kiirgava LED-i optiline võimsus. Seda seetõttu, et servi kiirgavad LED-id alluvad suuremale neeldumisele ja liidese rekombinatsioonile.
Joonis 3-LEDi 14 PI omadused
(3) Temperatuuri karakteristikud Kuna LED-id on läveta seadmed, on neil head temperatuurinäitajad ja need ei vaja temperatuuri reguleerimise ahelaid.
(4) Ühenduse efektiivsus Tavalistes kasutustingimustes on LED-i töövool 50-150 mA ja väljundvõimsus mõni millivatt. Kuna LED-i kiirgava valgusvihu lahknemisnurk on suur, on optilise kiuga ühendamise efektiivsus madal ja kiu võimsus palju väiksem. Üldiselt sobib see ainult lühimaa edastamiseks.
(5) Modulatsiooni omadused: LED-idel on madal modulatsioonisagedus. Tavalistes töötingimustes on pinna-kiirgavate LED-ide lõikesagedus 20-30 MHz ja serva kiirgavate LED-ide lõikesagedus 100–150 MHz, peamiselt kandja kasutusaja piirangu tõttu.
Laserite (LD) ja LED-ide võrdlus
Võrreldes optiliste dioodidega (LD-dega) on LED-idel väiksem väljundvõimsus, laiem spektraalne joonelaius ja madalam modulatsioonisagedus. LED-id pakuvad aga stabiilset jõudlust, pikka eluiga, kasutusmugavust, laia lineaarset väljundvõimsuse vahemikku ning neid on lihtsam valmistada ja need on odavamad.
Valgusdioodid on tavaliselt ühendatud mitmemoodiliste optiliste kiududega väikese -võimsusega, lühikese-kaugusega optiliste sidesüsteemide jaoks, mille lainepikkus on 1,31 μm või 0,85 μm.
Laserdioodid (LD-d) on tavaliselt ühendatud ühe-režiimi kiududega suure-võimsusega pika-optiliste sidesüsteemide jaoks lainepikkustel 1,31 μm või 1,55 μm.
Hajutatud tagasiside laserid (DFB-LD) on samuti peamiselt ühendatud ühe-moodilise kiuga või spetsiaalselt loodud ühemoodilise-kiuga uute suure-võimsusega kiudoptiliste süsteemide jaoks lainepikkusel 1,55 μm, mis on praegu kiudoptilise side arendamise peamine suund.
