Nguyên lý hoạt động của đi-ốt phát quang-
Điốt phát quang (đèn LED) được sử dụng trongsợi quangtruyền thông phát ra ánh sáng hồng ngoại vô hình, trong khi đèn LED được sử dụng trong màn hình phát ra ánh sáng khả kiến, chẳng hạn như ánh sáng đỏ và xanh lục. Tuy nhiên, cơ chế phát sáng-của chúng về cơ bản là giống nhau. Quá trình phát xạ của đèn LED chủ yếu tương ứng với quá trình phát xạ tự phát của ánh sáng. Khi một dòng điện thuận được đưa vào, các hạt mang không-cân bằng được bơm vào sẽ kết hợp lại trong quá trình khuếch tán, phát ra ánh sáng. Do đó, đèn LED là nguồn sáng không mạch lạc và không phải là thiết bị ngưỡng; công suất đầu ra của chúng về cơ bản tỷ lệ thuận với dòng điện được bơm vào.
Đèn LED có độ rộng phổ rộng (30–60nm) và góc bức xạ lớn. Trong hệ thống liên lạc kỹ thuật số-tốc độ thấp và hệ thống liên lạc tương tự băng thông-hẹp, đèn LED là nguồn sáng tối ưu. So với laser, mạch điều khiển LED đơn giản hơn và chúng mang lại khối lượng sản xuất cao hơn và chi phí thấp hơn.
Sự khác biệt giữa đèn LED và laser là đèn LED không có khoang cộng hưởng quang học và không thể tạo ra ánh sáng laser. Chúng bị giới hạn ở mức phát xạ tự phát, phát ra ánh sáng không mạch lạc. Mặt khác, tia laser là sự phát xạ kích thích, phát ra ánh sáng kết hợp.
Cấu trúc LED
Đèn LED cũng chủ yếu sử dụng chip dị vòng kép. Sự khác biệt là đèn LED thiếu các bề mặt phân tách, nghĩa là chúng thiếu các hộp cộng hưởng quang học và vì chúng không dao động như tia laser nên chúng không có cộng hưởng quang học. Đèn LED được chia thành hai loại chính: đèn LED phát ra bề mặt và đèn LED phát ra cạnh. Cấu trúc của đèn LED phát xạ bề mặt-được thể hiện trong Hình 3-11 và cấu trúc của đèn LED phát xạ cạnh được thể hiện trong Hình 3-12.
Hình 3-11 Cấu trúc của LE phát xạ bề mặtD
Đèn LED phát ra cạnh cũng sử dụng cấu trúc dị thể kép. Bằng cách sử dụng công nghệ mặt nạ SiO2, một điện cực tiếp xúc hình dải-(40-50mm) vuông góc với mặt cuối được hình thành trên bề mặt tiếp xúc hình dải-, do đó xác định chiều rộng của lớp hoạt động. Đồng thời, một lớp ống dẫn sóng quang được bổ sung để tăng cường hơn nữa khả năng giam cầm ánh sáng, dẫn hướng bức xạ ánh sáng tạo ra trong vùng hoạt động đến bề mặt phát ra, từ đó nâng cao hiệu quả kết hợp với sợi quang. Một đầu của lớp hoạt động được phủ một lớp màng phản chiếu-cao và đầu còn lại là một lớp màng chống phản chiếu{12}}để đạt được sự phát xạ ánh sáng một chiều. Theo hướng vuông góc với mặt phẳng tiếp giáp, góc phân kỳ xấp xỉ 30 độ, cho thấy hiệu suất ghép đầu ra cao hơn so với đèn LED phát ra bề mặt.
Hình 3-12 thể hiện cấu trúc của đèn LED phát sáng cạnh
Đặc điểm hoạt động của đèn LED
(1) Đặc điểm quang phổ: Độ rộng phổ ΔA của đèn LED rộng hơn nhiều so với laser. Phổ phát xạ của đèn LED InGaAsP được thể hiện trong Hình 3-13.
Hình 3-13 Phổ phát xạ của đèn LED InGaAsP
Do đèn LED thiếu khoang cộng hưởng quang học để chọn bước sóng nên phổ của chúng chủ yếu dựa trên sự phát xạ tự phát, dẫn đến băng thông phổ rộng. Bước sóng tương ứng với cường độ sáng cực đại trên đường cong quang phổ được gọi là bước sóng cực đại phát xạ λp và độ chênh lệch bước sóng Δλ giữa hai điểm cường độ nửa- trên đường cong quang phổ được gọi là độ rộng phổ phổ LED (hay đơn giản là độ rộng phổ), là đại lượng liên quan đến nhiệt độ T và bước sóng λ.
Trong công thức, c là tốc độ ánh sáng trong chân không; h là hằng số Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; và k là hằng số Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Như có thể thấy từ phương trình (3-10), độ rộng phổ tăng khi bước sóng bức xạ λ tăng theo λ². Nhìn chung, độ rộng phổ của đèn LED bước sóng-ngắn (GaAlAs-GaAs) là 10~50nm và độ rộng phổ của đèn LED bước sóng dài-(InGaAsP-InP) là 50~120nm.
Độ rộng phổ tăng khi tăng nồng độ pha tạp lớp hoạt động. Đèn LED phát ra bề mặt thường được pha tạp nhiều, trong khi đèn LED phát ra từ cạnh được pha tạp nhẹ; do đó, đèn LED phát ra bề mặt có độ rộng phổ rộng hơn. Hơn nữa, doping nặng làm dịch chuyển bước sóng phát xạ về phía bước sóng dài hơn. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ và sự thay đổi trong phân bố năng lượng sóng mang cũng gây ra sự thay đổi độ rộng phổ.
(2) Đặc điểm công suất quang đầu ra Đặc tính P-I của đèn LED đề cập đến mối quan hệ giữa công suất quang đầu ra và dòng điện phun, như trong Hình 3-14. Như có thể thấy trong Hình 3-14, các thiết bị phát xạ bề mặt-có công suất cao hơn nhưng dễ bị bão hòa ở dòng điện đưa vào cao; trong khi các thiết bị phát ra cạnh có công suất tương đối thấp hơn. Nói chung, trong cùng một dòng phun, công suất quang đầu ra của đèn LED phát ra bề mặt lớn hơn từ 2,5 đến 3 lần so với đèn LED phát ra cạnh. Điều này là do đèn LED phát ra cạnh có khả năng hấp thụ và tái kết hợp giao diện nhiều hơn.
Hình 3-14 đặc điểm PI của đèn LED
(3) Đặc tính nhiệt độ Vì đèn LED là thiết bị không có ngưỡng nên chúng có đặc tính nhiệt độ tốt và không yêu cầu mạch điều khiển nhiệt độ.
(4) Hiệu suất ghép nối Trong điều kiện ứng dụng bình thường, dòng điện hoạt động của đèn LED là 50-150mA và công suất đầu ra là vài miliwatt. Do góc phân kỳ của chùm tia phát ra từ đèn LED lớn nên hiệu suất ghép với sợi quang thấp và công suất của sợi quang nhỏ hơn nhiều. Nó thường chỉ thích hợp để truyền khoảng cách ngắn.
(5) Đặc tính điều chế: Đèn LED có tần số điều chế thấp. Trong điều kiện hoạt động bình thường, tần số cắt của đèn LED phát xạ bề mặt là 20-30 MHz và tần số cắt của đèn LED phát xạ cạnh là 100-150 MHz, chủ yếu là do giới hạn về tuổi thọ của sóng mang.
So sánh Laser (LD) và đèn LED
So với điốt quang (LD), đèn LED có công suất đầu ra thấp hơn, băng thông phổ rộng hơn và tần số điều chế thấp hơn. Tuy nhiên, đèn LED mang lại hiệu suất ổn định, tuổi thọ dài, dễ sử dụng, dải công suất đầu ra tuyến tính rộng, sản xuất đơn giản hơn và ít tốn kém hơn.
Đèn LED thường được kết hợp với sợi quang đa chế độ cho các hệ thống truyền thông quang học có khoảng cách-công suất thấp, khoảng cách{1} ngắn với bước sóng 1,31μm hoặc 0,85μm.
Điốt laze (LD) thường được ghép nối với sợi quang-chế độ đơn cho các hệ thống truyền thông quang học khoảng cách-công suất cao,{2}}ở bước sóng 1,31 μm hoặc 1,55 μm.
Laser phản hồi phân tán (DFB-LD) cũng chủ yếu được kết hợp với sợi quang-chế độ đơn hoặc sợi quang chế độ đơn-được thiết kế đặc biệt cho các hệ thống cáp quang công suất-cao mới ở bước sóng 1,55 μm, hiện là xu hướng chính trong phát triển truyền thông sợi quang.
