Šviesos{0}}diodas

Šviesos{0}}diodo veikimo principas

Šviesos{0}}diodai (LED), naudojamišviesolaidinisryšys skleidžia nematomą infraraudonųjų spindulių šviesą, o ekranuose naudojami šviesos diodai skleidžia matomą šviesą, pvz., raudoną ir žalią šviesą. Tačiau jų šviesos-spinduliavimo mechanizmai iš esmės yra vienodi. Šviesos diodo spinduliavimo procesas daugiausia atitinka spontanišką šviesos emisijos procesą. Kai įpurškiama tiesioginė srovė, įšvirkšti ne-pusiausvyros nešikliai difuzijos metu rekombinuojasi, skleisdami šviesą. Todėl šviesos diodai yra nenuoseklūs šviesos šaltiniai ir nėra slenksčio įtaisai; jų išėjimo galia iš esmės yra proporcinga įpurškiamai srovei.

Šviesos diodai turi platų spektrinį plotį (30–60 nm) ir didelį spinduliavimo kampą. Mažo-sparčio skaitmeninio ryšio ir siauro-pralaidumo analoginio ryšio sistemose šviesos diodai yra optimalus šviesos šaltinis. Palyginti su lazeriais, šviesos diodų valdymo grandinės yra paprastesnės, jos pasižymi didesne gamybos apimtimi ir mažesnėmis sąnaudomis.

Skirtumas tarp šviesos diodų ir lazerių yra tas, kad šviesos diodai neturi optinio rezonanso ertmės ir negali generuoti lazerio šviesos. Jie apsiriboja spontanine emisija, skleidžiančia nenuoseklią šviesą. Kita vertus, lazeriai yra stimuliuojama spinduliuotė, skleidžianti koherentinę šviesą.

LED struktūra

Šviesos diodai taip pat dažniausiai naudoja dvigubos heterosankcijos lustus. Skirtumas tas, kad šviesos diodams trūksta skilimo paviršių, tai reiškia, kad jiems trūksta optinio rezonanso ertmių, o kadangi jie nesvyruoja kaip lazeriai, jie neturi optinio rezonanso. Šviesos diodai skirstomi į dvi pagrindines kategorijas: paviršių-spinduliuojančius šviesos diodus ir kraštinius-špinduliuojančius šviesos diodus. Paviršiaus-špinduliuojančio šviesos diodo struktūra parodyta 3-11 pav., o kraštą spinduliuojančio šviesos diodo struktūra parodyta 3-12 pav.

3 pav. -11 Paviršių spinduliuojančio LE struktūraD

Kraštą-spinduliuojantys šviesos diodai taip pat naudoja dvigubą heterosankcijos struktūrą. Naudojant SiO2 kaukės technologiją, ant juostelės -formos kontaktinio paviršiaus suformuojamas juostelės formos kontaktinis elektrodas (40-50 mm), statmenas galiniam paviršiui, taip apibrėžiantis aktyvaus sluoksnio plotį. Tuo pačiu metu pridedamas optinio bangolaidžio sluoksnis, kuris dar labiau padidina šviesos izoliaciją, nukreipdamas aktyviojoje srityje sukurtą šviesos spinduliuotę į skleidžiantį paviršių, taip pagerindamas derinimo su optiniu pluoštu efektyvumą. Vienas aktyvaus sluoksnio galas yra padengtas stipriai-atspindinčia plėvele, o kitas – anti{12}}atspindinčia plėvele, kad būtų pasiekta vienakryptė šviesos spinduliuotė. Kryptimi, statmena sankryžos plokštumai, nukrypimo kampas yra maždaug 30 laipsnių, o išėjimo sujungimo efektyvumas yra didesnis nei paviršių skleidžiantys šviesos diodai.

3-12 paveiksle parodyta kraštą skleidžiančio šviesos diodo struktūra

LED veikimo charakteristikos

(1) Spektrinės charakteristikos: šviesos diodų spektrinis linijos plotis ΔA yra daug platesnis nei lazerių. InGaAsP šviesos diodų spinduliuotės spektras parodytas 3-13 pav.

3-13 pav. InGaAsP šviesos diodo spinduliuotės spektras

Kadangi šviesos dioduose nėra optinio rezonanso ertmės, kad būtų galima pasirinkti bangos ilgius, jų spektras visų pirma pagrįstas spontanine spinduliuote, todėl spektrinis linijos plotis yra platus. Bangos ilgis, atitinkantis maksimalų šviesos intensyvumą spektrinėje kreivėje, vadinamas didžiausiu spinduliuotės bangos ilgiu λp, o bangos ilgių skirtumas Δλ tarp dviejų spektrinės kreivės pusės intensyvumo taškų vadinamas šviesos diodo spektro linijos pločiu (arba tiesiog spektro pločiu), o tai yra dydis, susijęs su bangos ilgiu Tλ.

Formulėje c yra šviesos greitis vakuume; h yra Planko konstanta, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; ir k yra Boltzmanno konstanta, k=1.38 × 10⁻ J/K.

Kaip matyti iš (3-10) lygties, spektro plotis didėja didėjant spinduliuotės bangos ilgiui λ pagal λ². Paprastai trumpo -bangos ilgio (GaAlAs-GaAs) šviesos diodų spektrinis plotis yra 10–50 nm, o ilgo -bangos ilgio (InGaAsP-InP) šviesos diodų spektrinis plotis yra 50–120 nm.

Spektro plotis didėja didėjant aktyvaus sluoksnio dopingo koncentracijai. Paviršiniai-špinduliuojantys šviesos diodai paprastai yra stipriai legiruoti, o kraštiniai-špinduliuojantys šviesos diodai yra lengvai legiruoti; todėl paviršių-spinduliuojantys šviesos diodai turi platesnį spektrinį plotį. Be to, stiprus dopingas perkelia emisijos bangos ilgį į ilgesnius bangos ilgius. Be to, temperatūros pokyčiai ir nešiklio energijos pasiskirstymo pokyčiai taip pat sukelia spektrinio pločio pokyčius.

(2) Išėjimo optinės galios charakteristikos Šviesos diodo P-I charakteristika nurodo ryšį tarp išėjimo optinės galios ir įpurškimo srovės, kaip parodyta 3-14 pav. Kaip matyti iš 3-14 paveikslo, paviršiaus-spinduliuojantys įrenginiai turi didesnę galią, bet yra linkę į sodrumą esant didelėms įpurškimo srovėms; o kraštą{10}}skleidžiantys įrenginiai turi santykinai mažesnę galią. Paprastai tariant, esant tokiai pačiai įpurškimo srovei, paviršių{12}}skleidžiančio šviesos diodo išėjimo optinė galia yra 2,5–3 kartus didesnė nei kraštą skleidžiančio šviesos diodo. Taip yra todėl, kad kraštą spinduliuojantys šviesos diodai yra labiau absorbuojami ir sąsajos rekombinacija.

3 pav. -14 PI šviesos diodo charakteristikos

(3) Temperatūros charakteristikos Kadangi šviesos diodai yra beslenksčiai įtaisai, jie turi geras temperatūros charakteristikas ir nereikalauja temperatūros valdymo grandinių.

(4) Sujungimo efektyvumas Įprastomis naudojimo sąlygomis šviesos diodo veikimo srovė yra 50-150 mA, o išėjimo galia – keli milivatai. Kadangi šviesos diodo skleidžiamo pluošto divergencijos kampas yra didelis, sujungimo su optiniu pluoštu efektyvumas yra mažas, o pluošto galia yra daug mažesnė. Paprastai jis tinkamas tik trumpo nuotolio perdavimui.

(5) Moduliavimo charakteristikos: šviesos diodai turi žemą moduliavimo dažnį. Esant normalioms eksploatavimo sąlygoms, paviršių-skleidžiančių šviesos diodų ribinis dažnis yra 20-30MHz, o kraštą skleidžiančių šviesos diodų ribinis dažnis yra 100–150 MHz, daugiausia dėl nešiklio veikimo trukmės apribojimo.

Lazerių (LD) ir šviesos diodų palyginimas

Palyginti su optiniais diodais (LD), šviesos diodai turi mažesnę išėjimo galią, platesnį spektrinį linijos plotį ir mažesnį moduliavimo dažnį. Tačiau šviesos diodai užtikrina stabilų veikimą, ilgą tarnavimo laiką, paprastą naudojimą, platų linijinį išėjimo galios diapazoną, yra paprastesni ir pigesni.

Šviesos diodai paprastai yra sujungti su daugiamodėmis optinėmis skaidulomis mažos{0}}talpos, trumpo nuotolio{1}} optinio ryšio sistemoms, kurių bangos ilgis yra 1,31 μm arba 0,85 μm.

Lazeriniai diodai (LD) paprastai sujungiami su vienmode{0}}mode skaidulomis, kad būtų galima naudoti didelės-pajėgos, ilgo{2}}atstumo optinio ryšio sistemas, kurių bangos ilgis yra 1,31 μm arba 1,55 μm.

Paskirstytojo grįžtamojo ryšio lazeriai (DFB-LD) taip pat pirmiausia yra sujungti su vienmode -mode arba specialiai suprojektuotu vieno-modžiu skaidulu naujoms didelės-galios optinio pluošto sistemoms, kurių bangos ilgis yra 1,55 μm, o tai šiuo metu yra pagrindinė šviesolaidžio ryšio plėtros tendencija.