دیود{0}}شتاب دهنده

اصل کار دیود نوری-

دیودهای ساطع نور (LED) درفیبر نوریارتباطات نور مادون قرمز نامرئی ساطع می کنند، در حالی که LED های مورد استفاده در نمایشگرها نور مرئی مانند نور قرمز و سبز را منتشر می کنند. با این حال، مکانیسم‌های انتشار{1} نور آنها اساساً یکسان است. فرآیند انتشار یک LED عمدتاً با فرآیند انتشار خود به خود نور مطابقت دارد. هنگامی که یک جریان رو به جلو تزریق می‌شود، حامل‌های غیرتعادلی تزریق‌شده در طول انتشار دوباره ترکیب می‌شوند و نور ساطع می‌کنند. بنابراین، LED ها منابع نوری نامنسجم هستند و دستگاه های آستانه نیستند. توان خروجی آنها اساساً متناسب با جریان تزریقی است.

LED ها دارای عرض طیفی وسیع (30 تا 60 نانومتر) و زاویه تابش زیاد هستند. در سیستم‌های ارتباط دیجیتال کم سرعت- و سیستم‌های ارتباطی آنالوگ پهنای باند باریک، LEDها منبع نور بهینه هستند. مدارهای LED در مقایسه با لیزرها ساده تر هستند و حجم تولید بالاتر و هزینه کمتری را ارائه می دهند.

تفاوت LED با لیزر در این است که LED ها حفره تشدید نوری ندارند و نمی توانند نور لیزر تولید کنند. آنها محدود به انتشار خود به خودی هستند که نور نامنسجمی را ساطع می کنند. از سوی دیگر، لیزرها با انتشار تحریک شده، نور منسجمی را ساطع می کنند.

ساختار LED

LED ها نیز بیشتر از تراشه های دوتایی هتروجانکشن استفاده می کنند. تفاوت این است که LED ها فاقد سطوح برش هستند، به این معنی که فاقد حفره های تشدید نوری هستند و چون مانند لیزرها نوسان نمی کنند، رزونانس نوری ندارند. ال‌ای‌دی‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ال‌ای‌دی‌های ال‌ای‌دی سطحی-ال‌ای‌دی ساطع‌کننده و ال‌ای‌دی لبه‌ای-. ساختار یک LED ساطع کننده سطح در شکل 3-11 نشان داده شده است، و ساختار یک LED ساطع کننده لبه در شکل 3-12 نشان داده شده است.

شکل 3{1}}11 ساختار یک LE ساطع کننده سطحD

LEDهای ساطع کننده لبه نیز از ساختار دوتایی ناهمگون استفاده می کنند. با استفاده از فناوری ماسک SiO2، یک الکترود تماسی نواری-(40{5}}50 میلی‌متر) عمود بر وجه انتهایی بر روی سطح تماس نواری- شکل می‌گیرد، بنابراین عرض لایه فعال را مشخص می‌کند. به طور همزمان، یک لایه موجبر نوری برای تقویت بیشتر محصور شدن نور اضافه می شود و تابش نور تولید شده در ناحیه فعال را به سطح ساطع می کند و در نتیجه راندمان ترکیب با فیبر نوری را بهبود می بخشد. یک انتهای لایه فعال با یک لایه-بازتابی بالا و انتهای دیگر با یک فیلم ضد{12}}بازتابی برای رسیدن به تابش نور یک جهته پوشانده شده است. در جهت عمود بر صفحه اتصال، زاویه واگرایی تقریباً 30 درجه است که نسبت به LEDهای ساطع کننده سطح، راندمان کوپلینگ خروجی بالاتری را نشان می دهد.

شکل 3{1}}12 ساختار یک LED ساطع کننده لبه را نشان می دهد

ویژگی های عملیاتی LED

(1) ویژگی های طیفی: پهنای خط طیفی ΔA LED ها بسیار گسترده تر از لیزرها است. طیف انتشار LED های InGaAsP در شکل 3-13 نشان داده شده است.

شکل 3-13 طیف انتشار InGaAsP LED

از آنجایی که LED ها فاقد یک حفره تشدید نوری برای انتخاب طول موج هستند، طیف آنها اساساً بر اساس گسیل خود به خودی است که منجر به یک پهنای خط طیفی گسترده می شود. طول موج متناظر با حداکثر شدت نور در منحنی طیفی، طول موج پیک انتشار λp نامیده می‌شود، و اختلاف طول موج Δλ بین دو نقطه شدت در منحنی طیفی، پهنای خط طیفی LED (یا به سادگی عرض طیفی) نامیده می‌شود که کمیتی است مرتبط با طول موج Tλ.

در فرمول، c سرعت نور در خلاء است. h ثابت پلانک است، h=6.625 × 10-34 J·s. و k ثابت بولتزمن است، k=1.38 × 10⁻ J/K.

همانطور که از رابطه (3{2}}10) مشاهده می شود، عرض طیفی با افزایش طول موج تابش λ مطابق با λ² افزایش می یابد. به طور کلی، عرض طیفی LED های کوتاه-طول موج (GaAlAs{-GaAs) 10 ~ 50 نانومتر و عرض طیفی LED های طول موج- بلند (InGaAsP-InP) 50 تا 120 نانومتر است.

عرض طیفی با افزایش غلظت دوپینگ لایه فعال افزایش می یابد. ال‌ای‌دی‌های{1}}سطحی معمولاً به شدت دوپ می‌شوند، در حالی که ال‌ای‌دی‌های ال‌ای‌دی لبه-به‌خوبی دوپ شده‌اند. بنابراین، ال‌ای‌دی‌های{3}}سطحی دارای عرض طیفی وسیع‌تری هستند. علاوه بر این، دوپینگ سنگین طول موج انتشار را به سمت طول موج های بلندتر تغییر می دهد. علاوه بر این، تغییرات دما و تغییرات در توزیع انرژی حامل نیز باعث تغییرات عرض طیفی می شود.

(2) مشخصه های قدرت نوری خروجی مشخصه P{1}I یک LED به رابطه بین توان نوری خروجی و جریان تزریق اشاره دارد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است-14. همانطور که از شکل 3 مشاهده می شود-14، دستگاه های ساطع کننده سطحی قدرت بالاتری دارند، اما در جریان های تزریق بالا مستعد اشباع هستند. در حالی که دستگاه‌های ساطع کننده لبه{10}}قدرت نسبتاً کمتری دارند. به طور کلی، تحت جریان تزریق یکسان، توان اپتیکی خروجی یک LED ساطع کننده سطح 2.5 تا 3 برابر بیشتر از یک LED ساطع کننده لبه است. این به این دلیل است که LED های ساطع کننده لبه در معرض جذب بیشتر و نوترکیب رابط هستند.

شکل 3{1}}14 ویژگی PI LED

(3) ویژگی های دما از آنجایی که LED ها دستگاه های بدون آستانه هستند، ویژگی های دمایی خوبی دارند و به مدارهای کنترل دما نیاز ندارند.

(4) راندمان کوپلینگ در شرایط نرمال کاربردی، جریان عملیاتی LED 50{4}}150 میلی آمپر و توان خروجی چند میلی وات است. از آنجایی که زاویه واگرایی پرتو ساطع شده توسط LED زیاد است، راندمان اتصال با فیبر نوری کم است و قدرت فیبر بسیار کمتر است. به طور کلی فقط برای انتقال در فواصل کوتاه مناسب است.

(5) ویژگی های مدولاسیون: LED ها فرکانس مدولاسیون پایینی دارند. در شرایط عملیاتی معمولی، فرکانس قطع ال‌ای‌دی‌های-سطحی 20-30 مگاهرتز است، و فرکانس قطع ال‌ای‌دی‌های ساطع کننده لبه 100 تا 150 مگاهرتز است که عمدتاً به دلیل محدودیت طول عمر حامل است.

مقایسه لیزر (LDs) و LED

در مقایسه با دیودهای نوری (LD)، LED ها دارای توان خروجی کمتر، پهنای خط طیفی گسترده تر و فرکانس مدولاسیون کمتری هستند. با این حال، LED ها عملکرد پایدار، طول عمر طولانی، سهولت استفاده، محدوده خطی گسترده ای از توان خروجی را ارائه می دهند، و تولید ساده تر و ارزان تر هستند.

LED ها معمولاً با فیبرهای نوری چند حالته برای سیستم های ارتباطی نوری با ظرفیت کم{0}}فاصله{1} با طول موج 1.31 میکرومتر یا 0.85 میکرومتر همراه می شوند.

دیودهای لیزری (LDs) معمولاً با فیبرهای تک حالته برای سیستم‌های ارتباطی نوری با ظرفیت بالا و مسافت طولانی در طول موج‌های 1.31 میکرومتر یا 1.55 میکرومتر همراه می‌شوند.

لیزرهای بازخورد توزیع شده (DFB-LDs) همچنین عمدتاً با فیبر تک حالته یا فیبر تک حالته طراحی شده ویژه برای سیستم‌های فیبر نوری با ظرفیت بالا{3} در طول موج 1.55 میکرومتر، که در حال حاضر روند اصلی فیبر در توسعه ارتباطات نوری است، جفت می‌شوند.