発光ダイオードの動作原理-
発光ダイオード（LED）は、光ファイバー通信は目に見えない赤外線を発しますが、ディスプレイで使用される LED は赤や緑の光などの可視光を発します。ただし、発光メカニズムは本質的に同じです。- LEDの発光過程は主に光の自然放出過程に相当します。順方向電流が注入されると、注入された非平衡キャリアが拡散中に再結合し、光を放出します。したがって、LED はインコヒーレント光源であり、しきい値デバイスではありません。それらの出力電力は基本的に注入電流に比例します。
LED は広いスペクトル幅 (30 ～ 60 nm) と大きな放射角を持っています。低速デジタル通信システムや狭帯域幅アナログ通信システムでは、LED が最適な光源です。- LED はレーザーに比べて駆動回路がシンプルで、生産量が多くコストも低く抑えられます。
LED とレーザーの違いは、LED には光共振空洞がなく、レーザー光を生成できないことです。それらは自然放出に限定されており、インコヒーレントな光を放出します。一方、レーザーは誘導放出であり、コヒーレント光を放射します。
LEDの構造
LED もダブル ヘテロ接合チップを使用することがほとんどです。違いは、LED には劈開面がないこと、つまり光共振空洞がないこと、およびレーザーのように発振しないため光共振がないことです。 LED は、面発光 LED- と端面発光 LED- の 2 つの主なカテゴリに分類されます。面発光 LED の構造を図 3-11 に示し、端面発光 LED の構造を図 3-12 に示します。
図3-11 面発光LEの構造D
端面発光 LED もダブル ヘテロ接合構造を採用しています。{0} SiO2 マスク技術を利用して、端面に垂直な短冊状の接触電極 (40-50mm) を短冊状の接触面に形成し、活性層の幅を規定します。-同時に、光導波路層を追加して光の閉じ込めをさらに強化し、活性領域で生成された光放射を発光面に導き、それによって光ファイバーとの結合効率を向上させます。活性層の一端は高反射率膜でコーティングされ、-もう一端は反射防止膜でコーティングされており、一方向の発光を実現します。接合面に垂直な方向の発散角は約30度であり、面発光LEDに比べて高い出力結合効率を示します。
図 3-12 は端面発光 LED の構造を示しています
LEDの動作特性
(1) スペクトル特性: LED のスペクトル線幅 ΔA は、レーザーのスペクトル線幅 ΔA よりもはるかに広いです。 InGaAsP LED の発光スペクトルを図 3-13 に示します。
図 3-13 InGaAsP LED の発光スペクトル
LED には波長を選択するための光共振空洞がないため、そのスペクトルは主に自然放出に基づいており、結果としてスペクトル線幅が広くなります。スペクトル曲線上の最大光度に対応する波長は発光ピーク波長 λp と呼ばれ、スペクトル曲線上の 2 つの半強度点間の波長差 Δλ は LED スペクトル線幅 (または単にスペクトル幅) と呼ばれ、温度 T と波長 λ に関連する量です。
式中、c は真空中の光の速度です。 h はプランク定数、h=6.625 × 10⁻³⁴ J・s; k はボルツマン定数、k=1.38 × 10⁻ J/K です。
式 (3-10) からわかるように、スペクトル幅は、放射波長 λ が λ² に従って増加するにつれて増加します。一般に、短波長-（GaAlAs-GaAs）LEDのスペクトル幅は10～50nm、長波長-（InGaAsP-InP）LEDのスペクトル幅は50～120nmです。
スペクトル幅は、活性層のドーピング濃度が増加すると増加します。面発光 LED は一般に高濃度にドープされていますが、端面発光 LED は低濃度にドープされています。-したがって、面発光 LED はより広いスペクトル幅を持っています。-さらに、高濃度のドーピングにより、発光波長がより長波長側にシフトします。さらに、温度変化やキャリアエネルギー分布の変化もスペクトル幅の変化を引き起こします。
(2) 出力光パワー特性 LED の P-I 特性とは、図 3-14 に示すように、出力光パワーと注入電流の関係を指します。図 3-14 からわかるように、面発光デバイスは出力が高くなりますが、高い注入電流で飽和する傾向があります。一方、エッジ発光デバイス-の消費電力は比較的低いです。一般に、同じ注入電流の下で、面発光 LED の出力光パワーは端面発光 LED の 2.5 ～ 3 倍大きくなります。これは、端面発光 LED がより多くの吸収と界面再結合を受けやすいためです。
図3-14 LEDのPI特性
(3) 温度特性 LED は閾値なしデバイスであるため温度特性が良く、温度制御回路が不要です。
(4) 結合効率 通常の使用条件では、LED の動作電流は 50-150mA、出力電力は数ミリワットです。 LEDから放射されるビームの発散角が大きいため、光ファイバーとの結合効率が低く、ファイバーのパワーは非常に小さくなります。通常、短距離伝送にのみ適しています。
(5) 変調特性: LED は変調周波数が低いです。通常の動作条件下では、主にキャリア寿命の制限により、面発光 LED のカットオフ周波数は 20-30MHz、端面発光 LED のカットオフ周波数は 100～150MHz です。
レーザー（LD）とLEDの比較
光ダイオード (LD) と比較して、LED は出力が低く、スペクトル線幅が広く、変調周波数が低くなります。ただし、LED は安定した性能、長寿命、使いやすさ、広い直線範囲の出力を提供し、製造が簡単で安価です。
LED は通常、波長 1.31 μm または 0.85 μm の低容量、短距離光通信システム用のマルチモード光ファイバと結合されます。{0}{1}{1}
レーザー ダイオード (LD) は通常、波長 1.31 μm または 1.55 μm での大容量、長距離光通信システム用のシングルモード ファイバと結合されます。{{1}{2}
分布帰還型レーザー (DFB-LD) は、主にシングルモード ファイバ、または波長 1.55 μm の新しい大容量光ファイバ システム用に特別に設計されたシングルモード ファイバと結合されます。これは、現在光ファイバ通信開発の主流となっています。-
