עקרון העבודה של דיודה פולטת-אור
דיודות פולטות-אור (LED) בשימוש בסיבים אופטייםתקשורת פולטת אור אינפרא אדום בלתי נראה, בעוד שנוריות LED המשמשות בתצוגות פולטות אור נראה, כגון אור אדום וירוק. עם זאת, מנגנוני פליטת האור-שלהם זהים בעצם. תהליך הפליטה של LED מתאים בעיקר לתהליך הפליטה הספונטנית של אור. כאשר מוזרק זרם קדימה, נושאי הבלתי-שיווי המשקל המוזרקים מתחברים מחדש במהלך הדיפוזיה, ופולטים אור. לכן, נוריות LED הן מקורות אור לא קוהרנטיים ואינן התקני סף; כוח המוצא שלהם הוא פרופורציונלי בעצם לזרם המוזרק.
לדים יש רוחב ספקטרלי רחב (30-60 ננומטר) וזווית קרינה גדולה. בתקשורת דיגיטלית במהירות- נמוכה ובמערכות תקשורת אנלוגיות צר-, נוריות LED הן מקור האור האופטימלי. בהשוואה ללייזרים, מעגלי הנעת LED הם פשוטים יותר, והם מציעים נפח ייצור גבוה יותר ועלות נמוכה יותר.
ההבדל בין לדים ללייזרים הוא שללדים אין חלל תהודה אופטי ואינם יכולים ליצור אור לייזר. הם מוגבלים לפליטה ספונטנית, הפולטת אור לא קוהרנטי. לייזרים, לעומת זאת, הם פליטה מגורה, פולטים אור קוהרנטי.
מבנה LED
נוריות גם משתמשות בעיקר בשבבי הטרוג'נקציה כפולה. ההבדל הוא שללדים חסרים משטחי מחשוף, כלומר חסרים להם חללי תהודה אופטיים, ומכיוון שהם לא מתנודדים כמו לייזרים, אין להם תהודה אופטית. נוריות LED מחולקות לשתי קטגוריות עיקריות: נוריות-פולטות משטח ונוריות נוריות-פולטות קצה. המבנה של LED פולט- משטח מוצג באיור 3-11, והמבנה של LED פולט קצה מוצג באיור 3-12.
איור 3-11 מבנה של LE פולט משטחD
נוריות הפולטות-קצה משתמשות גם במבנה הטרוצומת כפול. תוך שימוש בטכנולוגיית מסכת SiO2, נוצרת אלקטרודת מגע בצורת -רצועה (40-50 מ"מ) בניצב לפנים הקצה על משטח המגע בצורת-רצועה, ובכך מגדירה את רוחב השכבה הפעילה. במקביל, מתווספת שכבת מוליך גל אופטי כדי לשפר עוד יותר את כליאת האור, המנחה את קרינת האור הנוצרת באזור הפעיל אל המשטח הפולט, ובכך משפרת את יעילות השילוב עם הסיב האופטי. קצה אחד של השכבה הפעילה מצופה בסרט בעל השתקפות- גבוהה, והקצה השני בסרט נגד-שתקפות כדי להשיג פליטת אור חד-כיוונית. בכיוון הניצב למישור הצומת, זווית ההתרחקות היא בערך 30 מעלות, ומציגה יעילות צימוד פלט גבוהה יותר מאשר נוריות LED פולטות פני השטח.
איור 3-12 מציג את המבנה של נורית פולטת קצה
מאפייני תפעול LED
(1) מאפיינים ספקטרליים: רוחב הקו הספקטרלי ΔA של נוריות LED רחב בהרבה מזה של לייזרים. ספקטרום הפליטה של נוריות InGaAsP מוצג באיור 3-13.
איור 3-13 ספקטרום הפליטה של InGaAsP LED
מכיוון שללדים אין חלל תהודה אופטי לבחירת אורכי גל, הספקטרום שלהם מבוסס בעיקר על פליטה ספונטנית, וכתוצאה מכך רוחב קו ספקטרלי רחב. אורך הגל המתאים לעוצמת האור המקסימלית על העקומה הספקטרלית נקרא אורך גל שיא הפליטה λp, והפרש אורך הגל Δλ בין שתי נקודות חצי-העוצמה בעקומה הספקטרלית נקרא רוחב הקו הספקטרלי של LED (או פשוט רוחב ספקטרלי), שהוא כמות T ואורך גל הקשורים לטמפרטורה.
בנוסחה, c היא מהירות האור בוואקום; h הוא הקבוע של פלאנק, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; ו-k הוא הקבוע של בולצמן, k=1.38 × 10⁻ J/K.
כפי שניתן לראות ממשוואה (3-10), הרוחב הספקטרלי גדל עם עליית אורך הגל של הקרינה λ לפי λ². בדרך כלל, הרוחב הספקטרלי של נוריות -באורך גל קצר (GaAlAs-GaAs) הוא 10~50nm, והרוחב הספקטרלי של נוריות -אורך גל ארוך (InGaAsP-InP) הוא 50~120nm.
הרוחב הספקטרלי גדל עם הגדלת ריכוז הסימום של השכבה הפעילה. נוריות-פולטות פני השטח הן בדרך כלל מסוממות בכבדות, בעוד שנוריות לד הפולטות-קצה מסוימות קלות; לכן, לנורות LED הפולטות משטח- יש רוחב ספקטרלי רחב יותר. יתר על כן, סימום כבד מעביר את אורך גל הפליטה לעבר אורכי גל ארוכים יותר. בנוסף, שינויי טמפרטורה ושונות בחלוקת אנרגיית הנשא גורמים גם לשינויים ברוחב הספקטרלי.
(2) מאפייני הספק אופטי פלט המאפיין P-I של נורית נורית מתייחס ליחס בין ההספק האופטי במוצא לזרם ההזרקה, כפי שמוצג באיור 3-14. כפי שניתן לראות מאיור 3-14, להתקנים פולטי שטח- יש הספק גבוה יותר, אך הם נוטים לרוויה בזרמי הזרקה גבוהים; בעוד שלמכשירים שפולטים{10}}קצה יש הספק נמוך יחסית. באופן כללי, תחת אותו זרם הזרקה, הספק האופטי הפלט של LED הפולט- משטח גדול פי 2.5 עד פי 3 מזה של LED פולט קצה. הסיבה לכך היא שנורות LED פולטות קצה כפופות ליותר קליטה ושילוב מחדש של ממשק.
איור 3-14 מאפייני PI של LED
(3) מאפייני טמפרטורה מאחר שנורות LED הן התקנים חסרי סף, יש להם מאפייני טמפרטורה טובים ואינם דורשים מעגלי בקרת טמפרטורה.
(4) יעילות צימוד בתנאי יישום רגילים, זרם ההפעלה של LED הוא 50-150mA והספק המוצא הוא כמה מיליוואטים. מכיוון שזווית ההסתייגות של האלומה הנפלטת על ידי LED היא גדולה, יעילות הצימוד עם סיבים אופטיים נמוכה, והספק של הסיב קטן בהרבה. בדרך כלל זה מתאים רק לשידור למרחקים קצרים.
(5) מאפייני אפנון: לנוריות יש תדרי אפנון נמוכים. בתנאי הפעלה רגילים, תדירות החיתוך של נוריות- הפולטות על פני השטח היא 20-30 מגה-הרץ, ותדר החיתוך של נוריות נוריות פולטות קצה הוא 100-150 מגה-הרץ, בעיקר בשל הגבלת חיי הספק.
השוואה בין לייזרים (LD) ונוריות
בהשוואה לדיודות אופטיות (LD), לנוריות יש הספק פלט נמוך יותר, רוחב קו ספקטרלי רחב יותר ותדר אפנון נמוך יותר. עם זאת, נוריות LED מציעות ביצועים יציבים, תוחלת חיים ארוכה, קלות שימוש, טווח ליניארי רחב של הספק פלט, והן פשוטות יותר לייצור ופחות יקרות.
נוריות LED מחוברות בדרך כלל לסיבים אופטיים רב-מודים עבור מערכות תקשורת אופטיות-נמוכות-למרחקים קצרים עם אורכי גל של 1.31μm או 0.85μm.
דיודות לייזר (LD) מחוברות בדרך כלל עם סיבים חד-מודים למערכות תקשורת אופטיות-בעלות קיבולת-למרחקים ארוכים באורכי גל של 1.31 מיקרומטר או 1.55 מיקרומטר.
לייזר משוב מבוזר (DFB-LDs) גם מחוברים בעיקר לסיבים- במצב יחיד או סיבים יחידים-מודים עבור מערכות סיבים אופטיים חדשים- בעלות קיבולת גבוהה באורך גל של 1.55 מיקרומטר, שהיא כיום המגמה העיקרית בפיתוח תקשורת סיבים אופטיים.
