Principio de funcionamiento del diodo emisor de luz-
Diodos emisores de luz-(LED) utilizados enfibra opticaLas comunicaciones emiten luz infrarroja invisible, mientras que los LED utilizados en las pantallas emiten luz visible, como luz roja y verde. Sin embargo, sus mecanismos-de emisión de luz son esencialmente los mismos. El proceso de emisión de un LED corresponde principalmente al proceso de emisión espontánea de luz. Cuando se inyecta una corriente directa, los portadores de desequilibrio inyectados se recombinan durante la difusión, emitiendo luz. Por tanto, los LED son fuentes de luz incoherentes y no son dispositivos de umbral; su potencia de salida es básicamente proporcional a la corriente inyectada.
Los LED tienen un amplio ancho espectral (30 a 60 nm) y un gran ángulo de radiación. En comunicaciones digitales de baja-velocidad y sistemas de comunicación analógicos-de ancho de banda estrecho, los LED son la fuente de luz óptima. En comparación con los láseres, los circuitos de conducción LED son más simples y ofrecen un mayor volumen de producción y un menor costo.
La diferencia entre LED y láser es que los LED no tienen una cavidad resonante óptica y no pueden generar luz láser. Se limitan a la emisión espontánea, emitiendo luz incoherente. Los láseres, por el contrario, son de emisión estimulada, emitiendo luz coherente.
Estructura LED
Los LED también utilizan principalmente chips de doble heterounión. La diferencia es que los LED carecen de superficies de división, lo que significa que carecen de cavidades resonantes ópticas y, como no oscilan como los láseres, no tienen resonancia óptica. Los LED se dividen en dos categorías principales: LED de emisión de superficie-y LED de emisión de borde-. La estructura de un LED emisor- de superficie se muestra en la Figura 3-11, y la estructura de un LED emisor de borde se muestra en la Figura 3-12.
Figura 3-11 Estructura de un LE emisor de superficieD
Los LED emisores de borde-también emplean una estructura de heterounión doble. Utilizando la tecnología de máscara de SiO2, se forma un electrodo de contacto en forma de tira-(40-50 mm) perpendicular a la cara del extremo en la superficie de contacto en forma de tira-, definiendo así el ancho de la capa activa. Simultáneamente, se agrega una capa de guía de ondas ópticas para mejorar aún más el confinamiento de la luz, guiando la radiación luminosa generada en la región activa hacia la superficie emisora, mejorando así la eficiencia de combinación con la fibra óptica. Un extremo de la capa activa está recubierto con una película de alto-reflectante y el otro extremo con una película anti-reflectante para lograr una emisión de luz unidireccional. En la dirección perpendicular al plano de unión, el ángulo de divergencia es de aproximadamente 30 grados, lo que muestra una mayor eficiencia de acoplamiento de salida que los LED emisores de superficie.
La Figura 3-12 muestra la estructura de un LED que emite bordes
Características de funcionamiento del LED
(1) Características espectrales: el ancho de línea espectral ΔA de los LED es mucho más amplio que el de los láseres. El espectro de emisión de los LED InGaAsP se muestra en la Figura 3-13.
Figura 3-13 Espectro de emisión de LED InGaAsP
Dado que los LED carecen de una cavidad resonante óptica para seleccionar longitudes de onda, su espectro se basa principalmente en la emisión espontánea, lo que da como resultado un ancho de línea espectral amplio. La longitud de onda correspondiente a la intensidad luminosa máxima en la curva espectral se denomina longitud de onda máxima de emisión λp, y la diferencia de longitud de onda Δλ entre los dos puntos de media-intensidad en la curva espectral se denomina ancho de línea espectral del LED (o simplemente ancho espectral), que es una cantidad relacionada con la temperatura T y la longitud de onda λ.
En la fórmula, c es la velocidad de la luz en el vacío; h es la constante de Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; y k es la constante de Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Como puede verse en la ecuación (3-10), el ancho espectral aumenta con el aumento de la longitud de onda de radiación λ según λ². Generalmente, el ancho espectral de los LED de longitud de onda corta-(GaAlAs-GaAs) es de 10 a 50 nm, y el ancho espectral de los LED de longitud de onda larga-(InGaAsP-InP) es de 50 a 120 nm.
El ancho espectral aumenta al aumentar la concentración de dopaje de la capa activa. Los LED que emiten- en la superficie generalmente están muy dopados, mientras que los LED que emiten en el borde- están ligeramente dopados; por lo tanto, los LED emisores de superficie-tienen un ancho espectral más amplio. Además, un dopaje intenso desplaza la longitud de onda de emisión hacia longitudes de onda más largas. Además, los cambios de temperatura y las variaciones en la distribución de la energía portadora también provocan cambios en el ancho espectral.
(2) Características de potencia óptica de salida La característica P-I de un LED se refiere a la relación entre la potencia óptica de salida y la corriente de inyección, como se muestra en la Figura 3-14. Como se puede ver en la Figura 3-14, los dispositivos emisores de superficie-tienen mayor potencia, pero son propensos a saturarse con corrientes de inyección altas; mientras que los dispositivos-emisores de borde tienen una potencia relativamente menor. En términos generales, bajo la misma corriente de inyección, la potencia óptica de salida de un LED emisor de superficie- es de 2,5 a 3 veces mayor que la de un LED emisor de borde. Esto se debe a que los LED que emiten bordes están sujetos a una mayor absorción y recombinación de interfaces.
Figura 3-14 características PI del LED
(3) Características de temperatura Dado que los LED son dispositivos sin umbral, tienen buenas características de temperatura y no requieren circuitos de control de temperatura.
(4) Eficiencia de acoplamiento En condiciones normales de aplicación, la corriente de funcionamiento del LED es de 50-150 mA y la potencia de salida es de unos pocos milivatios. Debido a que el ángulo de divergencia del haz emitido por el LED es grande, la eficiencia del acoplamiento con la fibra óptica es baja y la potencia de la fibra es mucho menor. Generalmente sólo es adecuado para transmisiones de corta distancia.
(5) Características de modulación: los LED tienen frecuencias de modulación bajas. En condiciones de funcionamiento normales, la frecuencia de corte de los LED que emiten-superficie es de 20-30MHz, y la frecuencia de corte de los LED que emiten desde el borde es de 100-150MHz, principalmente debido a la limitación de la vida útil del portador.
Comparación de láseres (LD) y LED
En comparación con los diodos ópticos (LD), los LED tienen menor potencia de salida, un ancho de línea espectral más amplio y una frecuencia de modulación más baja. Sin embargo, los LED ofrecen un rendimiento estable, una larga vida útil, facilidad de uso, un amplio rango lineal de potencia de salida y son más sencillos de fabricar y menos costosos.
Los LED suelen combinarse con fibras ópticas multimodo para sistemas de comunicación óptica de baja-capacidad y corta-distancia con longitudes de onda de 1,31 μm o 0,85 μm.
Los diodos láser (LD) suelen combinarse con fibra monomodo-para sistemas de comunicación óptica de alta-capacidad y larga-distancia en longitudes de onda de 1,31 μm o 1,55 μm.
Los láseres de retroalimentación distribuida (DFB-LD) también se combinan principalmente con fibra monomodo-o fibra monomodo-diseñada especialmente para nuevos sistemas de fibra óptica de alta-capacidad en una longitud de onda de 1,55 μm, que es actualmente la principal tendencia en el desarrollo de comunicaciones por fibra óptica.
