Principio di funzionamento del diodo-emettitore di luce
Diodi emettitori di luce (LED) utilizzati infibra otticale comunicazioni emettono luce infrarossa invisibile, mentre i LED utilizzati nei display emettono luce visibile, come la luce rossa e verde. Tuttavia, i loro meccanismi di emissione della luce-sono essenzialmente gli stessi. Il processo di emissione di un LED corrisponde principalmente al processo di emissione spontanea della luce. Quando viene iniettata una corrente diretta, i portatori di non-equilibrio iniettati si ricombinano durante la diffusione, emettendo luce. Pertanto i LED sono sorgenti luminose incoerenti e non sono dispositivi di soglia; la loro potenza in uscita è sostanzialmente proporzionale alla corrente iniettata.
I LED hanno un'ampia larghezza spettrale (30–60 nm) e un ampio angolo di radiazione. Nelle comunicazioni digitali a bassa-velocità e nei sistemi di comunicazione analogici-a larghezza di banda ridotta, i LED sono la sorgente luminosa ottimale. Rispetto ai laser, i circuiti di pilotaggio dei LED sono più semplici e offrono volumi di produzione più elevati e costi inferiori.
La differenza tra LED e laser è che i LED non hanno una cavità di risonanza ottica e non possono generare luce laser. Sono limitati all'emissione spontanea, emettendo luce incoerente. I laser, invece, sono ad emissione stimolata, emettendo luce coerente.
Struttura LED
Anche i LED utilizzano principalmente chip a doppia eterogiunzione. La differenza è che i LED non hanno superfici di clivaggio, il che significa che non hanno cavità di risonanza ottica e, poiché non oscillano come i laser, non hanno risonanza ottica. I LED sono divisi in due categorie principali: LED a emissione di superficie e LED a emissione di bordo. La struttura di un LED a emissione superficiale è mostrata nella Figura 3-11, mentre la struttura di un LED a emissione laterale è mostrata nella Figura 3-12.
Figura 3-11 Struttura di un LE che emette superficieD
Anche i LED a emissione laterale-utilizzano una struttura a doppia eterogiunzione. Utilizzando la tecnologia della maschera SiO2, un elettrodo di contatto a forma di striscia- (40-50 mm) perpendicolare alla faccia terminale viene formato sulla superficie di contatto a forma di striscia-, definendo così la larghezza dello strato attivo. Contemporaneamente, viene aggiunto uno strato di guida d'onda ottica per migliorare ulteriormente il confinamento della luce, guidando la radiazione luminosa generata nella regione attiva verso la superficie emittente, migliorando così l'efficienza di combinazione con la fibra ottica. Un'estremità dello strato attivo è rivestita con una pellicola ad alta-riflettenza e l'altra estremità con una pellicola anti-riflesso per ottenere un'emissione di luce unidirezionale. Nella direzione perpendicolare al piano di giunzione, l'angolo di divergenza è di circa 30 gradi, mostrando un'efficienza di accoppiamento in uscita più elevata rispetto ai LED a emissione superficiale.
La Figura 3-12 mostra la struttura di un LED a emissione laterale
Caratteristiche di funzionamento dei LED
(1) Caratteristiche spettrali: la larghezza della linea spettrale ΔA dei LED è molto più ampia di quella dei laser. Lo spettro di emissione dei LED InGaAsP è mostrato nella Figura 3-13.
Figura 3-13 Spettro di emissione del LED InGaAsP
Poiché i LED non hanno una cavità risonante ottica per selezionare le lunghezze d'onda, il loro spettro si basa principalmente sull'emissione spontanea, risultando in un'ampia larghezza di riga spettrale. La lunghezza d'onda corrispondente alla massima intensità luminosa sulla curva spettrale è chiamata lunghezza d'onda di picco di emissione λp, e la differenza di lunghezza d'onda Δλ tra i due punti di semiintensità sulla curva spettrale è chiamata larghezza di linea spettrale del LED (o semplicemente larghezza spettrale), che è una quantità correlata alla temperatura T e alla lunghezza d'onda λ.
Nella formula c è la velocità della luce nel vuoto; h è la costante di Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; e k è la costante di Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Come si può vedere dall'equazione (3-10), l'ampiezza spettrale aumenta all'aumentare della lunghezza d'onda della radiazione λ secondo λ². Generalmente, l'ampiezza spettrale dei LED a-lunghezza d'onda corta (GaAlAs-GaAs) è 10~50 nm, mentre l'ampiezza spettrale dei LED a-lunghezza d'onda lunga (InGaAsP-InP) è 50~120 nm.
L'ampiezza spettrale aumenta con l'aumentare della concentrazione di drogaggio dello strato attivo. I LED-emittenti in superficie sono generalmente fortemente drogati, mentre i LED-emittenti sui bordi sono leggermente drogati; pertanto, i LED a emissione superficiale-hanno un'ampiezza spettrale più ampia. Inoltre, il drogaggio pesante sposta la lunghezza d'onda di emissione verso lunghezze d'onda più lunghe. Inoltre, anche i cambiamenti di temperatura e le variazioni nella distribuzione dell'energia del portatore causano cambiamenti nell'ampiezza spettrale.
(2) Caratteristiche della potenza ottica in uscita La caratteristica P-I di un LED si riferisce alla relazione tra la potenza ottica in uscita e la corrente di iniezione, come mostrato nella Figura 3-14. Come si può vedere dalla Figura 3-14, i dispositivi a emissione di superficie-hanno una potenza maggiore, ma sono soggetti a saturazione con correnti di iniezione elevate; mentre i dispositivi edge{10}}emittenti hanno una potenza relativamente inferiore. In generale, con la stessa corrente di iniezione, la potenza ottica in uscita di un LED a emissione superficiale è da 2,5 a 3 volte maggiore di quella di un LED a emissione laterale. Questo perché i LED a emissione laterale sono soggetti a un maggiore assorbimento e ricombinazione dell'interfaccia.
Figura 3-14 caratteristiche PI del LED
(3) Caratteristiche di temperatura Poiché i LED sono dispositivi senza soglia, hanno buone caratteristiche di temperatura e non richiedono circuiti di controllo della temperatura.
(4) Efficienza di accoppiamento In normali condizioni di applicazione, la corrente operativa del LED è di 50-150 mA e la potenza di uscita è di pochi milliwatt. Poiché l'angolo di divergenza del raggio emesso dal LED è ampio, l'efficienza di accoppiamento con la fibra ottica è bassa e la potenza della fibra è molto inferiore. Generalmente è adatto solo per la trasmissione a breve distanza.
(5) Caratteristiche di modulazione: i LED hanno frequenze di modulazione basse. In condizioni operative normali, la frequenza di taglio dei LED a emissione superficiale-è di 20-30 MHz, mentre la frequenza di taglio dei LED a emissione laterale è di 100-150 MHz, principalmente a causa della limitazione della durata del portante.
Confronto tra laser (LD) e LED
Rispetto ai diodi ottici (LD), i LED hanno una potenza di uscita inferiore, una larghezza di linea spettrale più ampia e una frequenza di modulazione inferiore. Tuttavia, i LED offrono prestazioni stabili, lunga durata, facilità d'uso, un'ampia gamma lineare di potenza di uscita e sono più semplici da produrre e meno costosi.
I LED sono generalmente accoppiati con fibre ottiche multimodali per sistemi di comunicazione ottica a bassa-capacità e a breve-distanza con lunghezze d'onda di 1,31μm o 0,85μm.
I diodi laser (LD) sono generalmente accoppiati con fibra monomodale-per sistemi di comunicazione ottica ad alta-capacità e lunga-distanza a lunghezze d'onda di 1,31 μm o 1,55 μm.
I laser a feedback distribuito (DFB-LD) sono inoltre principalmente accoppiati con fibra monomodale-o fibra monomodale-appositamente progettata per nuovi sistemi di fibra ottica ad alta-capacità con una lunghezza d'onda di 1,55 μm, che è attualmente la tendenza principale nello sviluppo delle comunicazioni in fibra ottica.
