Wiki zur optischen Lichtquelle: Umfassende Einführung in LED vs. Laserdiode

Wir wissen, dass ein vollständiges grundlegendes Glasfasersystem aus einem Sender, einer Glasfaser und einem Empfänger im Glasfasersystem besteht. In den meisten praktischen Anwendungen sind Sender und Empfänger in einem einzigen Gerät integriert, das als optisches Transceiver-Modul. Dieser Artikel stellt wesentliche optische Komponenten im Sender vor: Lichtquellen für Glasfasern, einschließlich Halogen, LED und Laser. 

Die optische Lichtquelle kann über die Treiberschaltung entsprechend dem zu übertragenden Signal moduliert werden. Beim Netzwerktest von Glasfasern wird die optische Lichtquelle auch benötigt, um den Glasfaserverlust in der Glasfaserverbindung zu messen. Kennen Sie den Unterschied zwischen Laserdiode vs. LED? In diesem Artikel stellen wir zwei Arten von Halbleiterlichtquellen vor: LED im Vergleich zu Laser im Detail.

Abbildung 1: LED vs. VCSEL vs. Laser

Was ist das Funktionsprinzip einer optischen Lichtquelle?

Das Funktionsprinzip von LED- und Laser-Lichtquellen besteht darin, den mikroskopisch kleinen Lichtstrahl in die Glasfaser zu projizieren; die optische Quelle kann während der Übertragung optischer Signale millionen- oder sogar milliardenfach pro Sekunde ein- und ausgeschaltet werden. Nur wenn beide optischen Lichtquellen präzise und schnell geschaltet werden, kann das optische Signal korrekt übertragen werden.

Was ist eine optische LED-Lichtquelle?

LED kann in vielen entscheidenden Bereichen als optische Lichtquelle verwendet werden. Ihr Leuchtprinzip ist Elektrolumineszenz. Dieses Phänomen bedeutet, dass, wenn Elektronen und Löcher an der Sperrschicht rekombinieren, der in Durchlassrichtung vorgespannte P-N-Übergang eine  optische Quelle emittiert.

Abbildung 2: Funktionsprinzip der LED

In der Glasfaser-LED werden ein Leitungsband und ein Valenzband verwendet. Wenn die Elektronen des höheren Energieniveaus in das Valenzband springen, das im Produktionsband Löcher enthält, setzen sie Energie frei, die Lichtenergie oder Wärmeenergie sein kann.

Die Rekombination der Ladungsträger erzeugt eine exotherme oder endotherme Reaktion. Die exotherme Reaktion tritt auf, wenn die oben genannten hochenergetischen Elektronen in das niedrigere Valenzband wandern und sich mit Löchern verbinden. Gleichzeitig erfolgt die Rekombination nur, wenn die Energie der beiden zu rekombinierenden Elektronen ähnlich ist.

Durch die Forschung in der Materialwissenschaft wurde festgestellt, dass einige Halbleiter Energie durch Wärmeerzeugung freisetzen, darunter Germanium und Silizium, während einige Halbleiter Energie durch Lichtemission freisetzen, hauptsächlich GaAsP (Galliumarsenidphosphid) und GaP (Galliumphosphid). Daher eignen sich GaAsP und GaP am besten für die Herstellung von LED-Bauelementen

Das Aufkommen von LED-Glasfaser-Lichtquellen hat zahlreiche Vorteile mit sich gebracht, wie etwa eine schnelle Reaktionszeit von 0,1 Mikrosekunden, die Emission sichtbarer Strahlung mit schmaler Wellenlänge und eine hohe Lichtumwandlungseffizienz. Diese erheblichen Vorteile machen sie zu einem ausgezeichneten optischen Lichtquellengerät.

Was ist eine optische Laserlichtquelle?

Das Funktionsprinzip des Lasers ist stimulierte Emissionsstrahlung. Daher wurde er auch als optische Verstärkung durch stimulierte Strahlung bezeichnet. Stimulierte Emission liegt vor, wenn Photonen mit Atomen kollidieren und dabei ähnliche Photonen erzeugen

Abbildung 3: Optische Laserlichtquelle

Wenn dem Elektron ein geringeres Maß an elektrischer Energie zugeführt wird, wandert es vom Valenzband in das Leitungsband und absorbiert gleichzeitig die ihm zusätzlich bereitgestellte Energie; dies wird als Absorption bezeichnet.

Abbildung 4: Funktionsprinzip des Lasers

Wenn sich das Elektron auf einem höheren Niveau befindet, wird das Elektron instabil. Um es stabil zu machen, gibt es etwas Energie ab, möglicherweise Lichtenergie oder Wärmeenergie. Wenn es Lichtenergie abgibt, geschieht dies in Form von Photonen. Wir nennen diesen Prozess spontane Emission.

Was ist dann die stimulierte Emission? Wenn Photonen auf Elektronen treffen, erhalten diese Elektronen durch den Aufprall der Photonen, die mehr Energie tragen, hohe Energie, wodurch das Elektron instabil wird. Gleichzeitig geht das Elektron in einen niedrigeren Energiezustand über und emittiert zusammen mit dem einfallenden Photon ein weiteres Photon. Wir nennen diesen Prozess ​stimulierte Emission.

Der Prozess der stimulierten Emission findet vollständig in der Laserdiode statt, und die den einfallenden Photonen ähnlichen Photonen konvergieren und werden als Lichtstrahl emittiert. Diese emittierten Photonen setzen weitere Photonen frei, die den einfallenden Photonen ähneln, sodass die von der optischen Laserlichtquelle erzeugten Lichtstrahlen kohärent und monochromatisch sind.

Was ist der Unterschied zwischen LED und Laser

Der Hauptunterschied zwischen LED und Laser liegt in der Farbe des Lichtstrahls: Die LED kann verschiedene Farben haben, während der Laser nur einen einfarbigen Lichtstrahl erzeugen kann. Das Funktionsprinzip der LED ist Elektrolumineszenz, das Funktionsprinzip des Lasers ist die stimulierte Emission. Darüber hinaus steht LED für die Standardlichtquelle, kurz für lichtemittierende Dioden, während Laserlichtquellen im Allgemeinen in speziellen Situationen verwendet werden. Laserlichtquellen haben eine höhere Betriebsgeschwindigkeit, geringere optische Übertragungsverluste und eine niedrigere BER(bit error ratio). Dies sind die Vorteile von Laserlichtquellen, und ihr Preis ist höher als der von optischen LED-Lichtquellen.

Was ist VCSEL?

VCSEL steht für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser; er besteht aus zwei entgegengesetzt dotierten Distributed Bragg Reflectors(DBR) mit einer Kavitätsschicht. Der VCSEL-Laser hat sich auf dem Markt zu einer beliebten Hochgeschwindigkeits-Netzwerk-Laserquelle entwickelt. Die Vorteile niedriger Kosten und hoher Bandbreite machen ihn zu einer idealen Lösung für ein Gigabit-Glasfasernetzwerk. Neben seiner Anwendung in Glasfaser-Lichtquellen wird er auch bei der analogen Breitbandsignalübertragung, der Absorptionsspektroskopie (TDLAS) und Laserdruckern eingesetzt.

Fazit

Dieser Beitrag stellt zwei Arten optischer Lichtquellen vor — Laserdiode vs LED, und konzentriert sich auf das Funktionsprinzip der jeweiligen Quelle. Zu beachten ist, dass die von LED und Laser emittierte Wellenlänge in einem kontinuierlichen Bereich liegt und nicht bei einer einzelnen Wellenlänge. QSFPTEK bietet Zubehör an, das mit optischen Quellen verwendet wird, wie Glasfaser-Transceiver. Erfahren Sie mehr über QSFPTEK Produkte über den Kundenservice unter [email protected].