Wiki sulle sorgenti luminose ottiche: introduzione completa a LED vs diodo laser

Sappiamo che un intero sistema base in fibra ottica è composto da un trasmettitore, una fibra ottica e un ricevitore nel sistema in fibra ottica. Nella maggior parte delle applicazioni pratiche, il trasmettitore e il ricevitore sono integrati in un unico dispositivo noto come modulo ricetrasmettitore ottico. Questo articolo presenterà i componenti ottici essenziali nel trasmettitore: sorgenti luminose in fibra ottica, tra cui alogeno, LED e laser. 

La sorgente luminosa ottica può essere modulata tramite il circuito di pilotaggio in base al segnale da trasmettere. Nel test di rete della fibra ottica, la sorgente luminosa ottica è necessaria anche per misurare la perdita della fibra ottica nel collegamento in fibra ottica. Conosci la differenza tra diodo laser vs LED? In questo articolo, presenteremo in dettaglio due tipi di sorgenti luminose a semiconduttore: LED rispetto a laser .

Figura 1: LED vs. VCSEL vs. Laser

Qual è il principio di funzionamento della sorgente luminosa ottica?

Il principio di funzionamento delle sorgenti luminose ottiche LED e laser consiste nel proiettare il fascio di luce microscopico nella fibra ottica; la sorgente ottica può accendersi e spegnersi milioni o persino miliardi di volte al secondo durante la trasmissione dei segnali ottici. Solo quando entrambe le sorgenti luminose ottiche vengono commutate in modo preciso e rapido, il segnale ottico può essere trasmesso correttamente.

Che cos'è una sorgente luminosa ottica a LED?

I LED possono essere utilizzati come sorgente luminosa ottica in molti settori cruciali. Il loro principio luminoso è l'elettroluminescenza. Questo fenomeno significa che, quando elettroni e lacune si ricombinano alla giunzione, la giunzione P-N polarizzata direttamente emetterà una  sorgente ottica.

Figura 2: principio di funzionamento del LED

All'interno del LED a fibra ottica vengono utilizzate una banda di conduzione e una banda di valenza. Quando gli elettroni a livello energetico più elevato saltano nella banda di valenza, che nella banda di produzione contiene lacune, rilasciano energia, che può essere energia luminosa o energia termica.

La ricombinazione dei portatori di carica produrrà una reazione esotermica o una reazione endotermica. La reazione esotermica si verificherà quando gli elettroni di alto livello menzionati sopra migrano verso la banda di valenza di basso livello e si combinano con le lacune. Allo stesso tempo, la ricombinazione si verificherà solo quando l'energia dei due elettroni da ricombinare è simile.

Attraverso la ricerca nella scienza dei materiali, alcuni semiconduttori rilasciano energia emettendo calore, tra cui Germanium e Silicon, mentre altri semiconduttori rilasciano energia emettendo luce, principalmente GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide) e GaP (Gallium Phosphide). Pertanto, GaAsP e GaP sono i più adatti per realizzare dispositivi LED

L'emergere delle sorgenti luminose LED a fibra ottica ha portato numerosi vantaggi, come un tempo di risposta rapido di 0.1 microsecondi, l'emissione di radiazioni visibili a lunghezza d'onda stretta e un'elevata efficienza di conversione luminosa. Questi vantaggi significativi ne fanno un eccellente dispositivo sorgente di luce ottica.

Che cos'è una sorgente luminosa ottica laser?

Il principio di funzionamento del laser è la radiazione a emissione stimolata. Pertanto, viene anche chiamato amplificazione ottica mediante radiazione stimolata. L'emissione stimolata avviene quando i fotoni entrano in collisione con gli atomi, producendo fotoni simili

Figura 3: sorgente luminosa ottica laser

Quando all'elettrone viene fornito un livello inferiore di energia elettrica, l'elettrone migrerà dalla banda di valenza alla banda di conduzione e allo stesso tempo assorbirà l'energia extra fornita, fenomeno chiamato assorbimento.

Figura 4: Principio di funzionamento del laser

Quando l'elettrone si trova a un livello superiore, diventa instabile. Per stabilizzarsi, emette energia, eventualmente energia luminosa o energia termica. Quando emette energia luminosa, la emette sotto forma di fotoni. Chiamiamo questo processo emissione spontanea.

Allora, che cos'è l'emissione stimolata? Quando i fotoni colpiscono gli elettroni, questi elettroni ricevono un'elevata energia a causa dell'impatto dei fotoni che trasportano più energia, rendendo l'elettrone instabile. Nel frattempo, l'elettrone passerà a uno stato energetico inferiore ed emetterà un altro fotone insieme al fotone incidente. Abbiamo chiamato questo processo ​emissione stimolata.

Il processo di emissione stimolata avviene interamente nel diodo laser, e i fotoni simili ai fotoni incidenti convergono ed emettono un fascio luminoso. Questi fotoni emessi rilasceranno altri fotoni simili ai fotoni incidenti, quindi i fasci luminosi generati dalla sorgente luminosa ottica laser sono coerenti e monocromatici.

Qual è la differenza tra LED e laser

La differenza principale tra LED e laser è il colore del fascio luminoso: il LED può essere di vari colori, mentre il laser può essere solo un fascio luminoso di un unico colore. Il principio di funzionamento del LED è l'elettroluminescenza, mentre il principio di funzionamento del laser è quello dell'emissione stimolata. Oltre a ciò, LED rappresenta la sorgente luminosa standard, abbreviazione di diodi a emissione di luce, mentre la sorgente luminosa laser viene generalmente utilizzata in situazioni speciali. La sorgente luminosa laser ha una velocità operativa più elevata, una minore perdita di trasmissione ottica e un BER (bit error ratio) inferiore. Questi sono i vantaggi delle sorgenti luminose laser, e il loro prezzo è più elevato rispetto alle sorgenti luminose ottiche LED.

Che cos'è VCSEL?

VCSEL sta per laser a emissione superficiale a cavità verticale, è costituito da due riflettori di Bragg distribuiti (DBR) drogati in modo opposto con uno strato di cavità; il laser VCSEL è diventato una sorgente laser di rete ad alta velocità molto diffusa sul mercato. I vantaggi del basso costo e dell'elevata larghezza di banda lo rendono una soluzione ideale per una rete in fibra ottica gigabit. Oltre alla sua applicazione nelle sorgenti luminose in fibra ottica, viene utilizzato anche nella trasmissione di segnali analogici a banda larga, nella spettroscopia di assorbimento (TDLAS), nelle stampanti laser.

Conclusione

Questo post presenta due tipi di sorgenti luminose ottiche — diodo laser vs LED, e si concentra sul principio di funzionamento di ciascuno. Una cosa da notare è che la lunghezza d'onda emessa sia dal LED sia dal laser è in un intervallo continuo anziché in una singola lunghezza d'onda. QSFPTEK offre accessori utilizzati con sorgenti ottiche, come transceiver in fibra ottica. Scopri di più sui prodotti QSFPTEK con il servizio clienti tramite [email protected].