Princípio de funcionamento do-diodo emissor de luz
Diodos-emissores de luz (LEDs) usados emfibra ópticacomunicação emitem luz infravermelha invisível, enquanto os LEDs usados em displays emitem luz visível, como luz vermelha e verde. No entanto, seus mecanismos-de emissão de luz são essencialmente os mesmos. O processo de emissão de um LED corresponde principalmente ao processo de emissão espontânea de luz. Quando uma corrente direta é injetada, os portadores de não{4}}equilíbrio injetados se recombinam durante a difusão, emitindo luz. Portanto, os LEDs são fontes de luz incoerentes e não são dispositivos de limite; sua potência de saída é basicamente proporcional à corrente injetada.
Os LEDs têm uma ampla largura espectral (30–60 nm) e um grande ângulo de radiação. Em sistemas de comunicação digital de baixa-velocidade e em sistemas de comunicação analógica-de largura de banda estreita, os LEDs são a fonte de luz ideal. Comparados aos lasers, os circuitos de acionamento de LED são mais simples e oferecem maior volume de produção e menor custo.
A diferença entre LEDs e lasers é que os LEDs não possuem cavidade ressonante óptica e não podem gerar luz laser. Limitam-se à emissão espontânea, emitindo luz incoerente. Os lasers, por outro lado, são de emissão estimulada, emitindo luz coerente.
Estrutura LED
Os LEDs também usam principalmente chips de heterojunção dupla. A diferença é que os LEDs não possuem superfícies de clivagem, o que significa que não possuem cavidades ressonantes ópticas e, como não oscilam como os lasers, não possuem ressonância óptica. Os LEDs são divididos em duas categorias principais: LEDs emissores de superfície-e LEDs emissores de borda-. A estrutura de um LED emissor de superfície-é mostrada na Figura 3-11, e a estrutura de um LED emissor de borda é mostrada na Figura 3-12.
Figura 3-11 Estrutura de um LE emissor de superfícieD
Os LEDs{0}emissores de borda também empregam uma estrutura de heterojunção dupla. Utilizando a tecnologia de máscara de SiO2, um eletrodo de contato em formato de tira-(40-50 mm) perpendicular à face final é formado na superfície de contato-em formato de tira, definindo assim a largura da camada ativa. Simultaneamente, uma camada de guia de onda óptica é adicionada para melhorar ainda mais o confinamento da luz, guiando a radiação luminosa gerada na região ativa para a superfície emissora, melhorando assim a eficiência de combinação com a fibra óptica. Uma extremidade da camada ativa é revestida com um filme de alta-reflexão e a outra extremidade com um filme anti-reflexo para obter emissão de luz unidirecional. Na direção perpendicular ao plano de junção, o ângulo de divergência é de aproximadamente 30 graus, exibindo maior eficiência de acoplamento de saída do que os LEDs emissores de superfície.
A Figura 3-12 mostra a estrutura de um LED emissor de borda
Características operacionais do LED
(1) Características espectrais: A largura de linha espectral ΔA dos LEDs é muito maior que a dos lasers. O espectro de emissão dos LEDs InGaAsP é mostrado na Figura 3-13.
Figura 3-13 Espectro de emissão do LED InGaAsP
Como os LEDs não possuem uma cavidade ressonante óptica para selecionar comprimentos de onda, seu espectro é baseado principalmente na emissão espontânea, resultando em uma ampla largura de linha espectral. O comprimento de onda correspondente à intensidade luminosa máxima na curva espectral é chamado de comprimento de onda de pico de emissão λp, e a diferença de comprimento de onda Δλ entre os dois pontos de meia-intensidade na curva espectral é chamada de largura de linha espectral do LED (ou simplesmente largura espectral), que é uma quantidade relacionada à temperatura T e ao comprimento de onda λ.
Na fórmula, c é a velocidade da luz no vácuo; h é a constante de Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; e k é a constante de Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Como pode ser visto na equação (3-10), a largura espectral aumenta com o aumento do comprimento de onda da radiação λ de acordo com λ². Geralmente, a largura espectral de LEDs de comprimento de onda curto-(GaAlAs-GaAs) é de 10 a 50 nm, e a largura espectral de LEDs de comprimento de onda- longo (InGaAsP-InP) é de 50 a 120 nm.
A largura espectral aumenta com o aumento da concentração de dopagem da camada ativa. LEDs emissores-de superfície geralmente são fortemente dopados, enquanto LEDs-emissores de borda são levemente dopados; portanto, os LEDs emissores-de superfície têm uma largura espectral mais ampla. Além disso, a dopagem pesada desloca o comprimento de onda da emissão para comprimentos de onda mais longos. Além disso, as mudanças de temperatura e as variações na distribuição da energia do portador também causam alterações na largura espectral.
(2) Características da potência óptica de saída A característica P-I de um LED refere-se à relação entre a potência óptica de saída e a corrente de injeção, conforme mostrado na Figura 3-14. Como pode ser visto na Figura 3-14, os dispositivos emissores-de superfície têm maior potência, mas são propensos à saturação em altas correntes de injeção; enquanto dispositivos emissores-de borda têm potência relativamente menor. De modo geral, sob a mesma corrente de injeção, a potência óptica de saída de um LED emissor de superfície é 2,5 a 3 vezes maior do que a de um LED emissor de borda. Isso ocorre porque os LEDs emissores de borda estão sujeitos a mais absorção e recombinação de interface.
Figura 3-14 características PI do LED
(3) Características de temperatura Como os LEDs são dispositivos sem limite, eles possuem boas características de temperatura e não requerem circuitos de controle de temperatura.
(4) Eficiência de acoplamento Em condições normais de aplicação, a corrente operacional do LED é de 50-150mA e a potência de saída é de alguns miliwatts. Como o ângulo de divergência do feixe emitido pelo LED é grande, a eficiência do acoplamento com a fibra óptica é baixa e a potência da fibra é muito menor. Geralmente é adequado apenas para transmissão de curta distância.
(5) Características de modulação: Os LEDs possuem baixas frequências de modulação. Em condições normais de operação, a frequência de corte dos LEDs emissores de superfície é de 20-30 MHz, e a frequência de corte dos LEDs emissores de borda é de 100-150 MHz, principalmente devido à limitação da vida útil da portadora.
Comparação de Lasers (LDs) e LEDs
Comparados aos diodos ópticos (LDs), os LEDs têm menor potência de saída, maior largura de linha espectral e menor frequência de modulação. No entanto, os LEDs oferecem desempenho estável, longa vida útil, facilidade de uso, uma ampla faixa linear de potência de saída e são mais simples de fabricar e mais baratos.
Os LEDs normalmente são acoplados a fibras ópticas multimodo para sistemas de comunicação óptica de baixa-capacidade e curta{1}distância com comprimentos de onda de 1,31μm ou 0,85μm.
Os diodos laser (LDs) normalmente são acoplados a fibra de{0}modo único para sistemas de comunicação óptica de alta-capacidade e longa-distância em comprimentos de onda de 1,31 μm ou 1,55 μm.
Os lasers de feedback distribuído (DFB-LDs) também são acoplados principalmente com fibra-monomodo ou fibra monomodo especialmente projetada-para novos sistemas de fibra óptica de alta-capacidade em um comprimento de onda de 1,55 μm, que é atualmente a principal tendência no desenvolvimento de comunicação por fibra óptica.
