Struktura

Světlo emitující diody LED

Světlo emitující diody LED

Od polovodičových zdrojů záření jsou očekávány následující vlastnosti:

  • vysoká modulovatelnost (až desítky Gbit/s)

  • vysoký optický výkon (řádově miliwatty)

  • dobré navázání optického výkonu do vlákna (až 90 %)

  • velká spolehlivost a životnost

  • malé rozměry (srovnatelné s rozměry vláken)

  • generovaná vlnová délka v oblasti minimálního útlumu vlákna

  • schopnost provozu při pokojové teplotě (20 stupňů Celsia)

  • nízká cena

Jednotlivé požadavky se mnohdy navzájem vylučují a jednotlivé typy generátorů splňují požadavky jen v omezené míře. Použití LED diod jako zdrojů světla je méně nákladné, ale také přenosová rychlost je nižší než při využití laserových diod. Pro přenos světla optickými trasami na velké vzdálenosti je vhodnější využít laserových diod. U laserových diod jsou také menší ztráty při navázání paprsku do vlákna. Tyto menší ztráty jsou dány přirozenou kolimací (rovnoběžnost paprsku) laserového světla. Z hlediska životnosti jsou na tom lépe LED diody, u kterých je životnost řádově 108 hodin, zatím co u ILD se životnost udává řádově 106 hodin.

Jako zdroje optického záření se využívají především:

  • světlo emitujících diod (LED)

  • laserových diod (ILD)

Generovaná vlnová délka

Optické záření vzniká v aktivní oblasti při průchodu proudu PN přechodem polovodičové diody v propustném směru. Energií, která vzniká při průchodu proudu diodou, se vytváří páry elektron-díra v aktivní oblasti. Situace je znázorněná na obrázku.

obrazek

Obr. 1: Princip vzniku optického záření

Elektrony se nachází ve vodivostním pásu s energií Ev* a díry ve valenčním pásu s energií *El. V procesu rekombinace se do okolí vyzařuje energie ΔE:

ΔE = EvEi  [eV, elektronVolt]

Ev energie elektronu ve vodivostním pásu

El energie díry ve valenčním pásmu

Mezi energií ΔE a vyzařovanou frekvencí platí vztah:

ΔE = h · f =( h · c)/λ  [eV]

h  Planckova konstanta, h = 6,62·10-34 [Ws2]

 f  frekvence [Hz]

c rychlost světla, c = 2,997925·108 [m/s]

Pro přímý výpočet vlnové délky záření platí vztah:

λ = (h · c)/ΔE [m]

Parametr ΔE má jednotku eV, to znamená, že uvedený vztah je třeba ještě vydělit nábojem elektronu:

e = 1,602.10-19 [C]

Pro zjednodušení výpočtu je možné konstanty h, c a e nahradit konstantou jedinou:

(h · c)/e = 1,234.10-6 [m]

(h · c)/e = 1,234 [µm]

 

Diody LED

LED – Light Emitting Diode. LED dioda je zdrojem nekoherentního záření. Fyzikální princip LED diody je založen na rekombinaci. Rekombinuje-li elektron s dírou, odevzdává energii, která je rovna přibližně šířce zakázaného pásu. Připojíme-li diodu ke zdroji napětí v propustném směru, zvýšíme tím pravděpodobnost rekombinace. Dojde-li k rekombinaci elektronu s dírou, uvolní se určité kvantum energie. Tato energie se může vyzářit mimo krystal, nebo může být absorbována v mříži, což se projeví zvýšením teploty krystalu. Energie, která je vyzářena mimo krystal, se vyzáří ve formě fotonu a to na určité vlnové délce. Tato vlnová délka je dána chemickým složením použitého polovodiče. LED diody se vyrábějí v různých barvách viditelného spektra, v infračerveném a v ultrafialovém spektru. LED diody emitují světlo vlnové délky 500 – 1600 nm se šířkou spektra 20 – 100 nm.

Používané typy LED diod

Jako zdroje optického záření se používají dva typy LED diod:

  • čelně emitující (obyčejná, plošná) dioda

  • hranově emitující dioda

Čelně emitující dioda (plošná)

Jde o nejjednodušší typ LED diody používané v optoelektronice jako zdroj záření. Má potenciálně nejvyšší přenosovou rychlost. Ale při spojení s osovou odchylkou větší jak 5° způsobuje ztráty minimálně 50%. Tento typ má velkou plochu vyzařování světla. Čelně emitující dioda je vyobrazena na obrázku.    

                                                                                               

Obr. 2: Čelně emitující dioda LED

Hranově emitující dioda (E-LED)

Tyto diody produkují většinu světla bočními stěnami. Produkují méně světla než plošné LED diody, ale díky její geometrii umožňuje soustředit více světla do optického vlákna. Poskytují dobrou šířku pásma pro modulaci. K tomuto typu se obvykle připojují svazky vláken.

Zdroje

  • STRNAD, Stanislav. Optická vlákna a telekomunikace. 2. vydání Praha 1991, ISBN 80-900721-0-0

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Autor neznámý. www.google.cz [online].[cit. 31.10.2014]. Dostupný na WWW:  www.google.cz/search?q=výroba+optických+vláken&rlz=1C1KMZB_enCZ520CZ563&espv=2&biw=1014&bih=608&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=_sG4VPzLEI34aJD7goAJ&ved=0CAYQ_AUoAQ#tbm=isch&q=ta%C5%BEen%C3%AD+vl%C3%A1kna+z+preformy&imgdii=_&imgrc=dsu1aS6u514LUM%253A%3B4wWFc8IA0l93KM%3Bhttp%253A%252F%252Fpanwiki.panska.cz%252Fimages%252Fthumb%252Ff%252Ff9%252FKremenna-okna.png%252F180px-Kremenna-okna.png%3Bhttp%253A%252F%252Fpanwiki.panska.cz%252Findex.php%252FV%2525C3%2525BDroba_optick%2525C3%2525A9ho_vl%2525C3%2525A1kna%3B180%3B109
  • Obr. 4: Archiv autora
  • Obr. 5: Archiv autora

Zapamatuj si

Obr. 3: Pro optická vlákna je třeba generovat takové vlnové délky, na kterých má optické vlákno malý útlum. Závislost útlumu na vlnové délce je na obrázku.

Obrázek

Content img 3784

Obr. 4: Pro měření vlastností zdrojů záření je možné použít spektrální. Na obrázku je jednoduchý spektrální analyzátor spolu se zdrojem záření LED ve viditelné oblasti analyzátor

Obrázek

Content vazba led diody s optickym vlaknem

Obr. 5: Příklad spojení zdroje záření a vlákna

Řešený příklad

Příklad:

Najděte vlnovou délku, kterou generuje materiál gáliumarzenit s ΔE = 1,4 eV

Řešení:

λ = (h · c)/ΔE [m]

λ = 1,234/1,4 [µm]

λ = 0,89 [µm]

Materiál gáliumarzenit generuje vlnovou délku 0,89µm.

Logolink