Вики по источникам оптического света: подробное введение в светодиоды и лазерные диоды

Мы знаем, что базовая система оптического волокна состоит из передатчика, оптического волокна и приемника. В большинстве практических приложений передатчик и приемник объединены в одном устройстве, известном как оптический трансиверный модуль. В этой статье будут представлены основные оптические компоненты передатчика: источники света оптического волокна, включая галогенные лампы, светодиоды и лазеры. 

Источник оптического света может модулироваться с помощью схемы управления в соответствии с передаваемым сигналом. При тестировании оптоволокна источник оптического света также необходим для измерения потерь в оптическом волокне. Знаете ли вы разницу между лазерным диодом и LED? В этой статье мы подробно рассмотрим два типа полупроводниковых источников света: LED и laser .

Рисунок 1: светодиод против VCSEL и лазера

Каков принцип работы оптического источника света?

Принцип работы светодиодных и лазерных оптических источников света заключается в проецировании микроскопического светового луча в оптическое волокно. Во время передачи оптических сигналов источник может включаться и выключаться миллионы и даже миллиарды раз в секунду. Только когда оба оптических источника света переключаются точно и быстро, оптический сигнал может передаваться корректно.

Что такое оптический источник света на основе LED?

Светодиод может использоваться в качестве источника оптического света во многих важных областях. Принцип его свечения основан на электролюминесценции. Это явление означает, что при рекомбинации электронов и дырок на переходе p-n-переход с прямым смещением излучает  оптический свет.

Рисунок 2: принцип работы светодиода

Внутри оптического светодиода используются зона проводимости и валентная зона. Когда электроны с более высоким уровнем энергии переходят в валентную зону, которая в производственной зоне содержит дырки, они высвобождают энергию, которая может преобразовываться в световую или тепловую энергию.

Рекомбинация носителей заряда вызывает экзотермическую или эндотермическую реакцию. Экзотермическая реакция происходит, когда упомянутые выше электроны высокого уровня переходят на валентную зону низкого уровня и соединяются с дырками. При этом рекомбинация происходит только тогда, когда энергии двух рекомбинирующих электронов близки.

Согласно исследованиям в области материаловедения, некоторые полупроводники выделяют энергию в виде тепла, включая Germanium и Silicon, тогда как некоторые полупроводники выделяют энергию в виде света, в основном GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide) и GaP (Gallium Phosphide). Поэтому GaAsP и GaP наиболее подходят для изготовления светодиодных устройств

Появление светодиодных источников оптоволоконного излучения принесло многочисленные преимущества, такие как быстрое время отклика 0.1 микросекунды, излучение видимого узкополосного спектра и высокая эффективность преобразования света. Эти значительные преимущества делают такой источник отличным устройством оптического излучения.

Что такое лазерный оптический источник света?

Принцип работы лазера основан на вынужденном излучении. Поэтому его также называют оптическим усилением за счет вынужденного излучения. Вынужденное излучение возникает, когда фотоны сталкиваются с атомами и порождают подобные фотоны

Рисунок 3: Лазерный оптический источник света

Когда электрон получает меньший уровень электрической энергии, он переходит из валентной зоны в зону проводимости и одновременно поглощает предоставленную ему дополнительную энергию; этот процесс называется поглощением.

Рисунок 4: Принцип работы лазера

Когда электрон находится на более высоком энергетическом уровне, он становится нестабильным. Чтобы стабилизироваться, он испускает некоторое количество энергии, возможно световой или тепловой. При испускании световой энергии она выделяется в форме фотонов. Этот процесс называется спонтанным излучением.

Итак, что такое вынужденное излучение? Когда фотоны сталкиваются с электронами, эти электроны приобретают высокую энергию вследствие воздействия фотонов, несущих больше энергии, что делает электрон нестабильным. В это же время электрон переходит в состояние с более низкой энергией и испускает ещё один фотон вместе с падающим фотоном. Этот процесс мы называем ​вынужденным излучением.

Процесс вынужденного излучения полностью происходит в лазерном диоде, а фотоны, подобные падающим фотонам, сходятся и испускаются в виде светового луча. Эти испущенные фотоны высвобождают больше фотонов, подобных падающим фотонам, поэтому световые лучи, генерируемые лазерным оптическим источником света, являются когерентными и монохроматическими.

В чем разница между LED и лазером

Ключевое различие между светодиодом и лазером заключается в цвете светового луча: светодиод может иметь различные цвета, а лазер может излучать световой луч только одного цвета. Принцип работы светодиода основан на электролюминесценции, а принцип работы лазера — на вынужденном излучении. Кроме того, светодиод является стандартным источником света; это сокращение от light-emitting diodes, тогда как лазерный источник света обычно используется в особых ситуациях. Лазерный источник света обеспечивает более высокую скорость работы, меньшие потери при оптической передаче и более низкий BER(bit error ratio). Таковы преимущества лазерных источников света, однако их цена выше, чем у оптических источников света на базе светодиодов.

Что такое VCSEL?

VCSEL означает лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением; он состоит из двух противоположно легированных распределенных брэгговских отражателей (DBR) со слоем резонатора. Лазер VCSEL стал популярным высокоскоростным источником лазерного излучения для сетей. Низкая стоимость и высокая пропускная способность делают его идеальным решением для гигабитной оптоволоконной сети. Помимо применения в качестве источника света в оптоволоконных системах, он также используется для передачи аналоговых широкополосных сигналов, абсорбционной спектроскопии (TDLAS) и лазерных принтеров.

Заключение

В этой статье рассматриваются два типа источников оптического излучения — лазерный диод и светодиод, а также принцип работы каждого из них. Следует отметить, что длина волны, излучаемая светодиодом и лазером, находится в непрерывном диапазоне, а не представляет собой одну длину волны. QSFPTEK предлагает аксессуары, используемые с оптическими источниками, например оптоволоконные трансиверы. Узнайте больше о продуктах QSFPTEK, обратившись в службу поддержки клиентов по адресу [email protected].