Işık-yayan diyotun çalışma prensibi
Kullanılan ışık-yayan diyotlar (LED'ler)fiber optikiletişim görünmez kızılötesi ışık yayar, ekranlarda kullanılan LED'ler ise kırmızı ve yeşil ışık gibi görünür ışık yayar. Ancak ışık-yayan mekanizmaları esasen aynıdır. Bir LED'in emisyon süreci esas olarak ışığın kendiliğinden emisyon sürecine karşılık gelir. İleri bir akım enjekte edildiğinde, enjekte edilen-denge dışı taşıyıcılar difüzyon sırasında yeniden birleşerek ışık yayarlar. Bu nedenle LED'ler tutarsız ışık kaynaklarıdır ve eşik aygıtları değildir; çıkış güçleri temel olarak enjekte edilen akımla orantılıdır.
LED'ler geniş bir spektral genişliğe (30-60 nm) ve geniş bir radyasyon açısına sahiptir. Düşük-hızlı dijital iletişim ve dar-bant genişliğine sahip analog iletişim sistemlerinde LED'ler en uygun ışık kaynağıdır. Lazerlerle karşılaştırıldığında LED sürüş devreleri daha basit olup, daha yüksek üretim hacmi ve daha düşük maliyet sunar.
LED'ler ve lazerler arasındaki fark, LED'lerin optik rezonans boşluğuna sahip olmaması ve lazer ışığı üretememesidir. Tutarsız ışık yayarak kendiliğinden emisyonla sınırlıdırlar. Öte yandan lazerler uyarılmış emisyondur ve tutarlı ışık yayar.
LED Yapısı
LED'ler ayrıca çoğunlukla çift heteroeklem çiplerini kullanır. Aradaki fark, LED'lerin bölünme yüzeylerinin olmaması, yani optik rezonans boşluklarının olmaması ve lazerler gibi salınmamaları nedeniyle optik rezonanslarının olmamasıdır. LED'ler iki ana kategoriye ayrılır: yüzey-yayan LED'ler ve kenar-yayan LED'ler. Yüzey-yayan LED'in yapısı Şekil 3-11'de, kenar yayan LED'in yapısı ise Şekil 3-12'de gösterilmektedir.
Şekil 3-11 Yüzey yayan LE'nin yapısıD
Kenar-yayan LED'ler ayrıca çift heteroeklemli bir yapı kullanır. SiO2 maskesi teknolojisi kullanılarak, şerit şeklindeki temas yüzeyi üzerinde uç yüzeye dik şerit-şeklinde bir kontak elektrot (40-50 mm) oluşturulur, böylece aktif katmanın genişliği tanımlanır. Eş zamanlı olarak, ışığın hapsedilmesini daha da geliştirmek için bir optik dalga kılavuzu katmanı eklenir, aktif bölgede üretilen ışık radyasyonunu yayan yüzeye yönlendirir, böylece optik fiberle birleştirme verimliliği artar. Tek yönlü ışık emisyonu elde etmek için aktif katmanın bir ucu yüksek-yansıtıcı bir filmle, diğer ucu ise-yansımayı önleyici bir filmle kaplanır. Bağlantı düzlemine dik yönde, sapma açısı yaklaşık 30 derecedir ve yüzey yayan LED'lere göre daha yüksek çıkış birleştirme verimliliği sergiler.
Şekil 3-12 kenar yayan LED'in yapısını göstermektedir
LED çalışma özellikleri
(1) Spektral özellikler: LED'lerin spektral çizgi genişliği ΔA, lazerlerinkinden çok daha geniştir. InGaAsP LED'lerin emisyon spektrumu Şekil 3-13'te gösterilmektedir.
Şekil 3-13 InGaAsP LED'in emisyon spektrumu
LED'ler, dalga boylarını seçmek için optik bir rezonans boşluğuna sahip olmadıklarından, spektrumları öncelikle spontan emisyona dayalıdır ve bu da geniş bir spektral çizgi genişliğine neden olur. Spektral eğri üzerindeki maksimum ışık yoğunluğuna karşılık gelen dalga boyu, emisyon tepe dalga boyu λp olarak adlandırılır ve spektral eğri üzerindeki iki yarım-yoğunluk noktası arasındaki dalga boyu farkı Δλ, sıcaklık T ve dalga boyu λ ile ilgili bir nicelik olan LED spektral çizgi genişliği (veya kısaca spektral genişlik) olarak adlandırılır.
Formülde c, ışığın boşluktaki hızıdır; h, Planck sabitidir, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; ve k Boltzmann sabitidir, k=1.38 × 10⁻ J/K.
(3-10) denkleminden görülebileceği gibi, λ²'ye göre radyasyon dalga boyu λ'nın artmasıyla spektral genişlik artar. Genel olarak, kısa-dalga boylu (GaAlAs-GaAs) LED'lerin spektral genişliği 10~50 nm'dir ve uzun-dalga boylu (InGaAsP-InP) LED'lerin spektral genişliği 50~120 nm'dir.
Aktif katman katkılama konsantrasyonunun artmasıyla spektral genişlik artar. Yüzey-yayan LED'ler genellikle yoğun katkılı iken kenar-yayan LED'ler hafif katkılıdır; bu nedenle yüzey-yayan LED'ler daha geniş bir spektral genişliğe sahiptir. Ayrıca ağır katkılama, emisyon dalga boyunu daha uzun dalga boylarına doğru kaydırır. Ayrıca sıcaklık değişiklikleri ve taşıyıcı enerji dağılımındaki değişiklikler de spektral genişlik değişikliklerine neden olur.
(2) Çıkış Optik Güç Özellikleri Bir LED'in P-I karakteristiği, Şekil 3-14'te gösterildiği gibi, çıkış optik gücü ile enjeksiyon akımı arasındaki ilişkiyi ifade eder. Şekil 3-14'te görülebileceği gibi, yüzey-yayan cihazlar daha yüksek güce sahiptir, ancak yüksek enjeksiyon akımlarında doymaya eğilimlidirler; kenar-yayan cihazların gücü ise nispeten daha düşüktür. Genel olarak konuşursak, aynı enjeksiyon akımı altında, yüzey{12}}yayan bir LED'in optik çıkış gücü, kenar yayan bir LED'inkinden 2,5 ila 3 kat daha fazladır. Bunun nedeni, kenar yayan LED'lerin daha fazla soğurulmaya ve arayüz rekombinasyonuna maruz kalmasıdır.
Şekil 3-14 LED'in PI özellikleri
(3) Sıcaklık özellikleri LED'ler eşiksiz cihazlar olduğundan, iyi sıcaklık özelliklerine sahiptirler ve sıcaklık kontrol devrelerine ihtiyaç duymazlar.
(4) Bağlantı verimliliği Normal uygulama koşulları altında, LED'in çalışma akımı 50-150mA'dır ve çıkış gücü birkaç miliwatt'tır. LED'in yaydığı ışının sapma açısı büyük olduğundan, optik fiberle bağlantı verimliliği düşüktür ve fiberin gücü çok daha küçüktür. Genellikle yalnızca kısa mesafeli iletim için uygundur.
(5) Modülasyon özellikleri: LED'ler düşük modülasyon frekanslarına sahiptir. Normal çalışma koşulları altında, yüzey-yayan LED'lerin kesme frekansı 20-30MHz'dir ve kenar yayan LED'lerin kesme frekansı, temel olarak taşıyıcı ömrünün sınırlı olması nedeniyle 100-150MHz'dir.
Lazerlerin (LD'ler) ve LED'lerin Karşılaştırılması
Optik diyotlarla (LD'ler) karşılaştırıldığında LED'ler daha düşük çıkış gücüne, daha geniş spektral hat genişliğine ve daha düşük modülasyon frekansına sahiptir. Ancak LED'ler istikrarlı performans, uzun ömür, kullanım kolaylığı, geniş doğrusal çıkış gücü aralığı sunar ve üretimi daha basit ve daha ucuzdur.
LED'ler genellikle 1,31μm veya 0,85μm dalga boyuna sahip düşük-kapasiteli, kısa-mesafeli optik iletişim sistemleri için çok modlu optik fiberlerle birleştirilir.
Lazer diyotlar (LD'ler), 1,31 μm veya 1,55 μm dalga boylarında yüksek-kapasiteli, uzun-mesafeli optik iletişim sistemleri için genellikle tek-modlu fiberle birleştirilir.
Dağıtılmış geri besleme lazerleri (DFB-LD'ler) ayrıca 1,55 μm dalga boyunda yeni yüksek-kapasiteli optik fiber sistemler için öncelikle tek-modlu fiber veya özel olarak tasarlanmış tek-tekli-modlu fiber ile birleştirilir; bu, şu anda fiber optik iletişim geliştirmede ana eğilimdir.
