光源Wiki：LEDとレーザーダイオードの包括的な紹介

基本的な光ファイバーシステム全体は、送信機、光ファイバー、受信機で構成されていることがわかっています。ほとんどの実用的な用途では、送信機と受信機は、ある名称で知られる単一のデバイスに統合されています 光トランシーバーモジュール. この記事では、トランスミッターに不可欠な光学部品である、ハロゲン、LED、レーザーなどの光ファイバー光源について紹介します。 

光源は、送信する信号に応じて駆動回路を介して変調できます。光ファイバーのネットワークテストでは、光ファイバーリンク内の光ファイバー損失を測定するためにも光源が必要です。レーザーダイオード vs の違いをご存じですか LED? この記事では、2種類の半導体光源であるLEDとレーザーについて 詳しく紹介します。

図1：LED対VCSEL対レーザー

光源の動作原理とは？

LEDおよびレーザー光源の動作原理は、微細な光ビームを光ファイバーに投射することです。光信号の伝送中、光源は毎秒数百万回、さらには数十億回もオンとオフを切り替えることができます。両方の光源が正確かつ高速に切り替えられる場合にのみ、光信号を正しく伝送できます。

LED光源とは何ですか？

LEDは、多くの重要な分野で光源として使用できます。その発光原理はエレクトロルミネッセンスです。この現象は、電子と正孔が接合部で再結合すると、順方向にバイアスされたP-N接合が 光を放出することを意味します。

図2：LEDの動作原理

光ファイバーLEDの内部では、伝導帯と価電子帯が使用されます。より高いエネルギー準位にある電子が、生成帯にあり正孔を含む価電子帯へ遷移すると、光エネルギーまたは熱エネルギーになり得るエネルギーを放出します。

電荷キャリアの再結合は、発熱反応または吸熱反応を引き起こします。発熱反応は、上述の高エネルギー準位の電子が低エネルギー準位の価電子帯へ移動し、正孔と結合するときに起こります。同時に、再結合しようとする2つの電子のエネルギーが近い場合にのみ、再結合が起こります。

材料科学の研究によると、一部の半導体は熱を放出することでエネルギーを放出し、これにはゲルマニウムやシリコンが含まれます。一方、一部の半導体は光を放出することでエネルギーを放出し、主にGaAsP（リン化ガリウムヒ素）とGaP（リン化ガリウム）が含まれます。 したがって、GaAsPとGaPはLEDデバイスの製造に最も適しています

LED光ファイバー光源の登場により、0.1マイクロ秒という高速応答時間、可視狭波長放射の発光、高い光変換効率など、数多くの利点がもたらされました。これらの大きな利点により、優れた光源デバイスとなっています。

レーザー光源とは何ですか？

レーザーの動作原理は誘導放出です。そのため、誘導放射による光増幅とも呼ばれます。誘導放出とは、光子が原子と衝突した際に、同様の光子が生成される現象です

図3：レーザー光源

電子に低いレベルの電気エネルギーが供給されると、電子は価電子帯から伝導帯へ移動すると同時に、供給された余分なエネルギーを吸収します。これを吸収と呼びます。

図 4: レーザーの動作原理

電子がより高いエネルギー準位にあると、電子は不安定になります。安定した状態になるために、光エネルギーや熱エネルギーなどのエネルギーを放出します。光エネルギーを放出する場合は、光子の形で放出します。この過程を自然放出と呼びます。

では、誘導放出とは何でしょうか？光子が電子に衝突すると、より多くのエネルギーを持つ光子の衝撃によって電子に高いエネルギーが与えられ、電子は不安定になります。同時に、電子はより低いエネルギー状態に移動し、入射光子とともに別の光子を放出します。この過程を​誘導放出と呼びます。

誘導放出のプロセスはすべてレーザーダイオード内で発生し、入射光子に似た光子が集束して光ビームとして放出されます。放出されたこれらの光子は、入射光子に似た光子をさらに放出させるため、レーザー光源によって生成される光ビームはコヒーレントかつ単色です。

LEDとレーザーの違いとは

LEDとレーザーの主な違いは光線の色にあり、LEDはさまざまな色にすることができますが、レーザーは単色の光線しか生成できません。LEDの動作原理はエレクトロルミネッセンスであり、レーザーの動作原理は誘導放出です。さらに、LEDは発光ダイオードの略で、標準的な光源として使用される一方、レーザー光源は一般に特殊な状況で使用されます。レーザー光源は、動作速度が速く、光伝送損失が少なく、BER(bit error ratio)が低いという特徴があります。これらがレーザー光源の利点ですが、価格はLED光源よりも高価です。

VCSELとは何ですか？

VCSELは垂直共振器面発光レーザーの略で、キャビティ層を挟んだ、互いに逆のドーピングが施された2つの分布ブラッグ反射器(DBR)で構成されています。VCSELレーザーは、市場で一般的な高速ネットワーク用レーザー光源となっています。低コストかつ高帯域幅という利点により、ギガビット光ファイバーネットワークに最適なソリューションです。光ファイバー光源への応用に加え、アナログ広帯域信号伝送、吸収分光法(TDLAS)、レーザープリンターにも使用されています。

結論

この記事では、2種類の光源—レーザーダイオードとLEDを比較し、それぞれの動作原理を中心に紹介します。注意すべき点の1つは、LEDとレーザーの両方から放射される波長が単一波長ではなく、連続した範囲にあることです。 QSFPTEK 光ファイバートランシーバーなど、光源とともに使用するアクセサリーを提供しています。QSFPTEK製品の詳細については、[email protected]からカスタマーサービスにお問い合わせください。