Principe de fonctionnement d'une-diode électroluminescente
Les-diodes électroluminescentes (DEL) utilisées dansfibre optiqueLes communications émettent une lumière infrarouge invisible, tandis que les LED utilisées dans les écrans émettent de la lumière visible, comme la lumière rouge et verte. Cependant, leurs mécanismes d'émission de lumière-sont essentiellement les mêmes. Le processus d'émission d'une LED correspond principalement au processus d'émission spontanée de lumière. Lorsqu'un courant direct est injecté, les porteurs injectés hors d'équilibre - se recombinent pendant la diffusion, émettant de la lumière. Par conséquent, les LED sont des sources lumineuses incohérentes et ne sont pas des dispositifs à seuil ; leur puissance de sortie est fondamentalement proportionnelle au courant injecté.
Les LED ont une large largeur spectrale (30 à 60 nm) et un grand angle de rayonnement. Dans les systèmes de communication numérique à faible-vitesse et les systèmes de communication analogiques à bande passante étroite-, les LED constituent la source de lumière optimale. Comparés aux lasers, les circuits de commande de LED sont plus simples et offrent un volume de production plus élevé et un coût inférieur.
La différence entre les LED et les lasers réside dans le fait que les LED n’ont pas de cavité optique résonante et ne peuvent pas générer de lumière laser. Ils se limitent à une émission spontanée, émettant une lumière incohérente. Les lasers, quant à eux, sont des émissions stimulées, émettant une lumière cohérente.
Structure LED
Les LED utilisent également principalement des puces à double hétérojonction. La différence est que les LED n’ont pas de surfaces de clivage, ce qui signifie qu’elles n’ont pas de cavités de résonance optique, et parce qu’elles n’oscillent pas comme les lasers, elles n’ont pas de résonance optique. Les LED sont divisées en deux catégories principales : les LED à émission de surface-et les LED à émission de bord-. La structure d'une LED à émission de surface-est illustrée à la figure 3-11, et la structure d'une LED à émission par les bords est illustrée à la figure 3-12.
Figure 3-11 Structure d'un LE à émission de surfaceD
Les LED à émission périphérique-utilisent également une structure à double hétérojonction. Grâce à la technologie de masque SiO2, une électrode de contact en forme de bande- (40-50 mm) perpendiculaire à la face d'extrémité est formée sur la surface de contact en forme de bande-, définissant ainsi la largeur de la couche active. Simultanément, une couche de guide d'onde optique est ajoutée pour améliorer encore le confinement de la lumière, guidant le rayonnement lumineux généré dans la région active vers la surface émettrice, améliorant ainsi l'efficacité de combinaison avec la fibre optique. Une extrémité de la couche active est recouverte d'un film à haute -réflexion et l'autre extrémité d'un film anti-pour obtenir une émission de lumière unidirectionnelle. Dans la direction perpendiculaire au plan de jonction, l'angle de divergence est d'environ 30 degrés, ce qui présente une efficacité de couplage de sortie supérieure à celle des LED à émission de surface.
La figure 3-12 montre la structure d'une LED à émission latérale
Caractéristiques de fonctionnement des LED
(1) Caractéristiques spectrales : La largeur de raie spectrale ΔA des LED est beaucoup plus large que celle des lasers. Le spectre d'émission des LED InGaAsP est illustré à la figure 3-13.
Figure 3-13 Spectre d'émission de la LED InGaAsP
Étant donné que les LED ne disposent pas d'une cavité résonante optique pour sélectionner les longueurs d'onde, leur spectre est principalement basé sur une émission spontanée, ce qui donne lieu à une large largeur de raie spectrale. La longueur d'onde correspondant à l'intensité lumineuse maximale sur la courbe spectrale est appelée longueur d'onde du pic d'émission λp, et la différence de longueur d'onde Δλ entre les deux points de demi-intensité - sur la courbe spectrale est appelée largeur de raie spectrale de la LED (ou simplement largeur spectrale), qui est une quantité liée à la température T et à la longueur d'onde λ.
Dans la formule, c est la vitesse de la lumière dans le vide ; h est la constante de Planck, h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s ; et k est la constante de Boltzmann, k=1.38 × 10⁻ J/K.
Comme le montre l'équation (3-10), la largeur spectrale augmente avec l'augmentation de la longueur d'onde du rayonnement λ en fonction de λ². Généralement, la largeur spectrale des LED à courte longueur d'onde - (GaAlAs - GaAs) est de 10 à 50 nm, et la largeur spectrale des LED à longue longueur d'onde - (InGaAsP-InP) est de 50 à 120 nm.
La largeur spectrale augmente avec l'augmentation de la concentration de dopage de la couche active. Les LED à émission de surface-sont généralement fortement dopées, tandis que les LED à émission de bord-sont légèrement dopées ; par conséquent, les LED à émission de surface-ont une largeur spectrale plus large. De plus, un dopage important déplace la longueur d’onde d’émission vers des longueurs d’onde plus longues. De plus, les changements de température et les variations dans la distribution de l’énergie des porteurs provoquent également des changements de largeur spectrale.
(2) Caractéristiques de la puissance optique de sortie La caractéristique P-I d'une LED fait référence à la relation entre la puissance optique de sortie et le courant d'injection, comme le montre la figure 3-14. Comme le montre la figure 3-14, les dispositifs émettant en surface-ont une puissance plus élevée, mais sont sujets à la saturation à des courants d'injection élevés ; tandis que les appareils à émission périphérique-ont une puissance relativement inférieure. D'une manière générale, sous le même courant d'injection, la puissance optique de sortie d'une LED à émission de surface est 2,5 à 3 fois supérieure à celle d'une LED à émission par les bords. En effet, les LED à émission périphérique sont soumises à davantage d'absorption et de recombinaison d'interface.
Figure 3-14 caractéristiques PI des LED
(3) Caractéristiques de température Les LED étant des dispositifs sans seuil, elles ont de bonnes caractéristiques de température et ne nécessitent pas de circuits de contrôle de température.
(4) Efficacité de couplage Dans des conditions d'application normales, le courant de fonctionnement de la LED est de 50-150 mA et la puissance de sortie est de quelques milliwatts. Étant donné que l'angle de divergence du faisceau émis par la LED est grand, l'efficacité du couplage avec la fibre optique est faible et la puissance de la fibre est beaucoup plus faible. Il ne convient généralement qu’à la transmission sur de courtes distances.
(5) Caractéristiques de modulation : les LED ont de faibles fréquences de modulation. Dans des conditions de fonctionnement normales, la fréquence de coupure des LED à émission de surface-est de 20-30 MHz et la fréquence de coupure des LED à émission de surface est de 100 à 150 MHz, principalement en raison de la limitation de la durée de vie du porteur.
Comparaison des lasers (LD) et des LED
Par rapport aux diodes optiques (LD), les LED ont une puissance de sortie inférieure, une largeur de raie spectrale plus large et une fréquence de modulation plus faible. Cependant, les LED offrent des performances stables, une longue durée de vie, une facilité d'utilisation, une large plage linéaire de puissance de sortie et sont plus simples à fabriquer et moins coûteuses.
Les LED sont généralement couplées à des fibres optiques multimodes pour les systèmes de communication optique de faible-capacité et à courte-distance avec des longueurs d'onde de 1,31 μm ou 0,85 μm.
Les diodes laser (LD) sont généralement couplées à une fibre monomode-pour des systèmes de communication optiques haute-capacité et longue-distance à des longueurs d'onde de 1,31 μm ou 1,55 μm.
Les lasers à rétroaction distribuée (DFB-LD) sont également principalement couplés à une fibre monomode-ou à une fibre monomode-spécialement conçue pour les nouveaux systèmes à fibre optique haute-capacité à une longueur d'onde de 1,55 μm, ce qui constitue actuellement la principale tendance dans le développement des communications par fibre optique.
