يوجد-صمام ثنائي باعث

مبدأ عمل -الصمام الثنائي الباعث للضوء

الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)- المستخدمة فيالألياف الضوئيةينبعث من الاتصالات ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي، بينما تنبعث مصابيح LED المستخدمة في شاشات العرض ضوءًا مرئيًا، مثل الضوء الأحمر والأخضر. ومع ذلك، فإن آليات انبعاث الضوء-متماثلة بشكل أساسي. تتوافق عملية انبعاث LED بشكل أساسي مع عملية الانبعاث التلقائي للضوء. عندما يتم حقن تيار أمامي، فإن الموجات الحاملة غير المتوازنة المحقونة-تتحد من جديد أثناء الانتشار، مما يؤدي إلى انبعاث الضوء. لذلك، تعتبر مصابيح LED مصادر ضوء غير متماسكة وليست أجهزة عتبة؛ تتناسب طاقة الخرج الخاصة بها بشكل أساسي مع التيار المحقون.

تتمتع مصابيح LED بعرض طيفي واسع (30-60 نانومتر) وزاوية إشعاع كبيرة. في أنظمة الاتصالات الرقمية ذات السرعة المنخفضة- وأنظمة الاتصالات التناظرية ذات النطاق الترددي الضيق-، تعد مصابيح LED هي المصدر الأمثل للضوء. بالمقارنة مع الليزر، فإن دوائر التشغيل LED أبسط، وتوفر حجم إنتاج أكبر وتكلفة أقل.

الفرق بين مصابيح LED والليزر هو أن مصابيح LED لا تحتوي على تجويف رنين بصري ولا يمكنها توليد ضوء الليزر. وهي تقتصر على الانبعاث التلقائي، ينبعث منها ضوء غير متماسك. من ناحية أخرى، يتم تحفيز أشعة الليزر، حيث ينبعث منها ضوء متماسك.

هيكل الصمام

تستخدم مصابيح LED أيضًا في الغالب شرائح مزدوجة غير متجانسة. الفرق هو أن مصابيح LED تفتقر إلى أسطح الانقسام، مما يعني أنها تفتقر إلى تجاويف الرنين البصري، ولأنها لا تتأرجح مثل أشعة الليزر، فليس لديها رنين بصري. تنقسم مصابيح LED إلى فئتين رئيسيتين: مصابيح LED التي ينبعث منها السطح-ومصابيح LED التي ينبعث منها الحافة-السطحية. يتم عرض بنية السطح - الذي ينبعث منه LED في الشكل 3-11، كما يظهر هيكل LED الذي ينبعث من الحافة في الشكل 3-12.

الشكل 3 -11 هيكل الباعث السطحي LED

تستخدم مصابيح LED الباعثة للحافة أيضًا بنية الوصلات المزدوجة غير المتجانسة. باستخدام تقنية قناع SiO2، يتم تشكيل قطب تلامس على شكل شريط- (40-50 مم) عموديًا على الوجه النهائي على سطح التلامس على شكل شريط-، وبالتالي تحديد عرض الطبقة النشطة. وفي الوقت نفسه، تتم إضافة طبقة دليل موجي بصري لزيادة تعزيز حبس الضوء، وتوجيه إشعاع الضوء المتولد في المنطقة النشطة إلى السطح الباعث، وبالتالي تحسين كفاءة الدمج مع الألياف الضوئية. يتم تغليف أحد طرفي الطبقة النشطة بطبقة انعكاس عالية-، والطرف الآخر بطبقة مضادة للانعكاس- لتحقيق انبعاث ضوء أحادي الاتجاه. في الاتجاه العمودي على مستوى الوصلة، تبلغ زاوية التباعد حوالي 30 درجة، مما يُظهر كفاءة اقتران إخراج أعلى من مصابيح LED الباعثة للسطح.

يوضح الشكل 3-12 بنية مؤشر LED الذي ينبعث من الحافة

خصائص تشغيل الصمام

(1) الخصائص الطيفية: عرض الخط الطيفي ΔA لمصابيح LED أوسع بكثير من عرض الليزر. يظهر طيف الانبعاث لمصابيح InGaAsP في الشكل 3-13.

الشكل 3-13 طيف الانبعاث لـ InGaAsP LED

نظرًا لأن مصابيح LED تفتقر إلى تجويف الرنين البصري لتحديد الأطوال الموجية، فإن طيفها يعتمد بشكل أساسي على الانبعاث التلقائي، مما يؤدي إلى عرض خط طيفي واسع. يُطلق على الطول الموجي المطابق لأقصى شدة مضيئة على المنحنى الطيفي اسم الطول الموجي لذروة الانبعاث p، ويسمى فرق الطول الموجي Δ بين نقطتي شدة النصف - على المنحنى الطيفي عرض الخط الطيفي LED (أو ببساطة العرض الطيفي)، وهي كمية مرتبطة بدرجة الحرارة T والطول الموجي .

في الصيغة، c هي سرعة الضوء في الفراغ؛ h هو ثابت بلانك، h=6.625 × 10⁻³⁴ J·s; و k هو ثابت بولتزمان، k=1.38 × 10⁻ J/K.

وكما يتبين من المعادلة (3-10)، فإن العرض الطيفي يزداد بزيادة الطول الموجي للإشعاع α طبقاً لـ lect². بشكل عام، العرض الطيفي لمصابيح LED ذات الطول الموجي القصير - (GaAlAs- GaAs) هو 10~50 نانومتر، والعرض الطيفي لمصابيح LED ذات الطول الموجي الطويل - (InGaAsP-InP) هو 50 ~ 120 نانومتر.

يزداد العرض الطيفي مع زيادة تركيز المنشطات للطبقة النشطة. تكون مصابيح LED الباعثة للسطح-مُطعَّمة بشكل عام بشكل كبير، بينما تكون مصابيح LED الباعثة للحافة-مُطعَّمة بشكل خفيف؛ لذلك، تتمتع مصابيح LED التي ينبعث منها السطح - بعرض طيفي أوسع. علاوة على ذلك، يؤدي التطعيم الثقيل إلى تحويل الطول الموجي للانبعاث نحو أطوال موجية أطول. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغيرات في درجات الحرارة والتغيرات في توزيع طاقة الموجة الحاملة تسبب أيضًا تغيرات في العرض الطيفي.

(2) خصائص الطاقة الضوئية للخرج تشير خاصية P-I الخاصة بمصابيح LED إلى العلاقة بين الطاقة الضوئية للخرج وتيار الحقن، كما هو موضح في الشكل 3-14. كما يتبين من الشكل 3-14، تتمتع أجهزة البث السطحي- بقدرة أعلى، ولكنها تكون عرضة للتشبع عند تيارات الحقن العالية؛ في حين أن الأجهزة{10}}التي ينبعث منها الحافة تتمتع بقدرة أقل نسبيًا. بشكل عام، في ظل نفس تيار الحقن، تكون الطاقة الضوئية الناتجة لسطح -LED الباعث للضوء أكبر بمقدار 2.5 إلى 3 مرات من تلك الخاصة بمصابيح LED الباعثة للحافة. وذلك لأن مصابيح LED التي ينبعث منها الحافة تخضع لمزيد من الامتصاص وإعادة تركيب الواجهة.

الشكل 3-14 خصائص PI لـ LED

(3) خصائص درجة الحرارة بما أن مصابيح LED هي أجهزة لا عتبة لها، فإنها تتمتع بخصائص درجة حرارة جيدة ولا تتطلب دوائر للتحكم في درجة الحرارة.

(4) كفاءة الاقتران في ظل ظروف التطبيق العادية، يبلغ تيار تشغيل LED 50-150 مللي أمبير وتكون طاقة الخرج بضعة ملي واط. نظرًا لأن زاوية انحراف الشعاع المنبعث من LED كبيرة، فإن كفاءة الاقتران مع الألياف الضوئية منخفضة، وقوة الألياف أصغر بكثير. وهي مناسبة بشكل عام فقط للإرسال لمسافات قصيرة.

(5) خصائص التعديل: تتميز مصابيح LED بترددات تعديل منخفضة. في ظل ظروف التشغيل العادية، يبلغ تردد القطع لمصابيح LED الباعثة للسطح - 20-30 ميجا هرتز، ويتراوح تردد القطع لمصابيح LED الباعثة للحافة من 100 إلى 150 ميجا هرتز، ويرجع ذلك بشكل أساسي إلى محدودية عمر الناقل.

مقارنة بين الليزر (LDs) ومصابيح LED

بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية (LDs)، تتمتع مصابيح LED بقدرة خرج أقل وعرض خط طيفي أوسع وتردد تعديل أقل. ومع ذلك، توفر مصابيح LED أداءً مستقرًا وعمرًا طويلًا وسهولة الاستخدام ونطاقًا خطيًا واسعًا من طاقة الخرج، كما أنها أسهل في التصنيع وأقل تكلفة.

تقترن مصابيح LED عادةً بألياف ضوئية متعددة الأوضاع لأنظمة اتصالات بصرية ذات سعة -منخفضة وقصيرة المسافة- بأطوال موجية تبلغ 1.31 ميكرومتر أو 0.85 ميكرومتر.

تقترن الثنائيات الليزرية (LDs) عادةً بألياف ذات وضع واحد-لأنظمة اتصالات بصرية ذات سعة عالية-ومسافة طويلة- بأطوال موجية تبلغ 1.31 ميكرومتر أو 1.55 ميكرومتر.

يتم أيضًا اقتران ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB-LDs) بشكل أساسي بألياف ذات وضع واحد- أو ألياف ذات وضع واحد مصممة خصيصًا لأنظمة الألياف الضوئية الجديدة عالية السعة- بطول موجة يبلغ 1.55 ميكرومتر، وهو الاتجاه الرئيسي حاليًا في تطوير اتصالات الألياف الضوئية.