Лазерные светодиоды характеристики

Содержание

Лазерный диод: принцип работы, виды и применение

Лазерные светодиоды характеристики

Изобретение полупроводникового лазерного диода заслуженно считается одним из лучших достижений в области физики второй половины прошлого века. Независимые разработки советских и американских ученых в области оптического излучения твердотельных материалов, проведенные более полувека назад, сегодня показывают свою эффективность в бытовой, промышленной и военной сфере.В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Принцип работы

Чтобы понять, откуда появляются фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновения пары свободных носителей – электрона и дырки). При подаче прямого напряжения к p-n переходу диода возникает инжекция, т.е. резкое увеличение концентрации неравновесных носителей. В процессе инжекции, движущиеся навстречу друг другу, электроны и дырки рекомбинируют, выделяя энергию в виде частицы – фотона и квазичастицы – фонона. Так происходит спонтанное излучение, наблюдаемое в светодиодах.

В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который, фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.

При этом лазерная генерация возможна только в случае наличия чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населённостей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселён электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.

Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч. Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий:

  • наличие когерентных фотонов;
  • организация положительной оптической обратной связи (ПООС).

Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.

Виды лазерных диодов

За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась, во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл-воздух» и формирование когерентного излучения.

Первый лазерный диод (диод с гомоструктурой) имел один p-n переход и мог работать исключительно в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применяется на практике.

Более эффективным оказался лазерный диод с двойной гетероструктурой (диод ДГС). Его кристалл создан на основе двух гетероструктур. Каждая гетероструктура – это материал (арсенид галлия и арсенид алюминия-галлия) с малой шириной запрещённой зоны, который расположен между слоями с большей шириной запрещенной зоны.

Преимущество лазерного диода ДГС состоит в существенном увеличении концентрации разнополярных носителей в тонком слое, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи.

К тому же отражение фотонов от гетеропереходов ведёт к снижению их концентрации в области низкого усиления, а значит, повышает эффективность всего устройства.

Лазерный диод с квантовыми ямами устроен по принципу диода ДГС, но с более тонкой активной областью. Это означает, что элементарные частицы, попадая в такую потенциальную яму, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в данном случае заменяет потенциальный барьер и служит генератором излучения.

Недостаточная эффективность удержания светового потока в диодах ДГС привела к созданию гетероструктурного лазера с раздельным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрывается слоем материала с каждой из сторон. Несмотря на меньший коэффициент преломления этих слоёв, они уверенно удерживают частицы, выступая в роли световода. Технология SCH занимает лидирующую позицию в производстве диодных лазеров.

Лазерный диод с распределённой обратной связью (РОС) является частью оптического оборудования в сфере построения телекоммуникационных систем. Длина волны РОС лазера является константой, что достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводник в области p-n-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решётки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только с одной (заданной) длиной волны. Эти когерентные фотоны и участвуют в усилении.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором или вертикально-излучающий лазер ВИЛ (англ. – VCSEL) в отличие от ранее рассмотренных приборов испускает луч света перпендикулярно поверхности кристалла. В основе конструкции VCSEL лежит метод использования вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами, а также достижения метода ДГС и квантовой ямы. Преимущество технологии VCSEL состоит в температурной и радиационной стабильности, в возможности группового производства кристаллов и их тестирования непосредственно на стадии изготовления.

Модификацией VCSEL является ВИЛ с внешним резонатором (англ. – VECSEL). Оба лазерных диода позиционируются как приборы высокого быстродействия с возможностью обеспечения передачи данных в будущем на скорости до 25 Гбит/с через волоконно-оптическую связь.

Разновидности корпусов

Популяризация лазерных диодов вынуждала производителей самостоятельно разрабатывать новые типы корпусов. С учетом их специфического назначения компании выпускали всё новые и новые виды защиты и охлаждения кристалла, что привело к отсутствию унификации. В настоящее время не существует международных стандартов, регламентирующих корпуса лазерных диодов.

Пытаясь навести порядок, крупные производители заключают между собой договор об унификации корпусов. Однако перед практическим применением неизвестного лазерного диода всегда следует уточнять назначение выводов и длину волны излучения, невзирая на знакомый тип корпуса.

Среди промышленно выпускаемых полупроводниковых лазеров наиболее часто встречаются два вида с указанными ниже корпусами.

1 Приборы с открытым оптическим каналом:

  • TO-can (transistor-out-line metal-can package). Корпус выполнен из металла и применяется в изготовлении транзисторов;
  • C-mount;
  • D-mount.

2 Приборы с волоконным выходом:

  • DIL (Dual-In-Line);
  • DBUT (Dual-Butterfly);
  • SBUT (Single-Butterfly).

Применение

Каждый тип лазерного диода находит практическое применение, ввиду своих уникальных особенностей. Стоимость маломощных образцов снизилась в разы, о чём свидетельствует их применение в детских игрушках и указках. Ими оснащают лазерные рулетки-дальномеры, что позволяет одному человеку проводить замер расстояний и сопутствующие вычисления.

На красных лазерах основана работа считывателей штрих-кодов, компьютерных манипуляторов и DVD-проигрывателей. Некоторые виды используют в проведении научных исследований и для накачки других лазеров. Наиболее востребованы лазерные диоды для передачи данных в оптоволоконных сетях.

Новые модели VCSEL обеспечивают скорость в 10 Гбит/с, что открывает дополнительные возможности для комплекса телекоммуникационных услуг, в том числе:

  • способствуют росту скорости интернета;
  • улучшению телефонной и видеосвязи;
  • повышают качество телевизионного приёма.

Результатом совершенствования лазерного диода стал увеличенный срок службы, который теперь сопоставим с наработкой на отказ светоизлучающих диодов. Уменьшение тока накачки повысило надёжность приборов, а их вклад в развитие технического прогресса не меньше, чем у других электронных компонентов.

Источник: https://ledjournal.info/spravochnik/lazernye-diody.html

Лазерный диод — принцип работы, ток лазерного диода

Лазерные светодиоды характеристики

Под термином «лазерный диод» понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда в зоне p-n — перехода возникает инверсия населённостей.

Принцип работы лазерного диода

Всегда необходимо помнить, что при формировании излучения больше важен не ток лазерного диода, а напряжение. В момент подачи на анодный конец диода положительного потенциала, наблюдается смещение диода по прямому направлению. Это подразумевает инжекцию дырок из p-области в n-область и аналогичную инжекцию электронов в обратном направлении. Расположение электрона и дырки в достаточной близости для проявления эффекта туннелирования делает возможной их рекомбинацию. Данное действие сопровождается образованием:

  • Фотонов, имеющих определённую длину волны (результат принципа сохранения энергии);
  • Фононов (компенсируют забираемые фотонами импульсы).
Читайте также  Резервное освещение на светодиодах и аккумуляторе

Явление носит название спонтанного излучения и применительно к светодиодам считается главным методом создания излучения.

Рис 1  Конструкция лазерного диода.

Если рекомбинирование электрона и дырки, несмотря на общую пространственную область, не происходит весьма долго. Пересечение этой области фотоном с резонансной частотой провоцирует процесс вынужденной рекомбинации, результатом которой становится формирование другого фотона, полностью совпадающего с первым по всем значимым параметрам.

Особенности конструкции

Кристалл полупроводника лазерного диода представляет собой весьма тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n области здесь происходит по принципу не лево-право, а верх-низ. То есть, вверху расположена p-область, а внизу — n-область.

Как результат: площадь p-n — перехода достаточно велика. Для торцевых (боковых) сторон обязательна полировка, поскольку формирование оптического резонатора (Фабри-Перо) требуются наличие параллельных плоскостей абсолютной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из таких плоскостей случайный фотон (сформированный спонтанным излучением) будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых граней, пока наконец не покинет резонатор.

Во время движения этот фотон станет причиной нескольких актов вынужденной рекомбинации, формирования подобных фотонов и усиления излучения. В момент, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, происходит лазерная генерация.

Разновидности лазерных диодов

  • P-n гомоструктурный диод.

В большинстве случаев слой лазерного диода весьма тонок и генерация фотонового потока происходит параллельно структуре этого слоя. Однако, при конструкции достаточной ширины, диод может функционировать в поперечном варианте. Это многомодовые диоды, и их использование демонстрирует высокую мощность излучения в комбинации с высокой его расходимостью.

С целью обеспечения лучшей фокусировки по ширине волновод должен сопоставляться с длиной волны излучения.

Ввиду малой толщины излучающего элемента и дифракции наблюдается сильное расхождение луча в момент выхода. Компенсировать данный эффект можно при помощи собирающих линз. В случае с многомодовыми лазерами обычно используют линзы цилиндрического типа. А если для стандартного лазера применить симметричные линзы, то луч в сечении приобретёт форму эллипса поскольку в вертикальном направлении луч расходится сильнее, чем в горизонтальном.

Лазерный диоды данного типа не отличаются эффективностью. Для их работы применяется большая входная мощность и импульсное воздействие (позволяющее избежать перегрева). В производстве они практически не используются.

  • Лазерный диод с двойной гетероструктурой (ДГС).

Особенностью диодов данного типа является то, что в них кристаллический слой, имеющий более узкую запрещённую зону, фиксируется между двух кристаллических слоёв, имеющих более широкую запрещённую зону.

Большим плюсом моделей данного типа является увеличение активной области (распространяющуюся практически на весь средний слой) и усиление потока фотонов (благодаря дополнительному отражению света от гетеропереходов).

  • Лазерный диод с квантовыми ямами.

При более сильном истончении среднего слоя в диодах ДГС-типа, его свойства изменяются таким образом, что он превращается в квантовую яму. Таким образом по вертикали электронная энергия будет подвергаться квантованию.

Рис 2 Лазерный диод — вид разрезе

Разность энергетических уровней квантовых ям может быть использована излучения взамен возможного барьера. Это позволяет регулировать длину волны при излучении, определяемую толщиной среднего слоя. Более эффективный вариант ввиду равномерности распределения электронов и дырок.

  • Лазерный диод с гетероструктурой и раздельным удержанием

Гетероструктурные лазеры с тонким слоем имеют один весомый недостаток — они не в состоянии эффективно удерживать свет. Для разрешения проблемы к двум сторонам кристалла крепится по дополнительному слою. По коэффициенту преломления эти слои уступают центральным. Общая конструкция при этом становится подобна световоду. Наибольший процент лазерных диодов сформирован по данной технологии.

  • Лазерные диоды с распределением обратной связи (РОС).

Лазеры РОС-типа применяются для многочастотных волоконно-оптических связей. При помощи поперечной насечки в области p-n — перехода, необходимой для формирования дифракционной решётки, становится возможной стабилизация длины волны. Конкретное её значение зависит от параметров насечки, однако возможны некоторые деформации под действием температурных всплесков. Лазеры данного типа применяются преимущественно для телекоммуникаций и оптики.

Лазер поверхностного излучения, снабжённый вертикальным резонатором. Это означает, что свет будет направлен перпендикулярно относительно грани кристалла, в то время как лазеры других типов излучают свет параллельно кристаллу.

Аналогичен по свойствам предыдущему варианту, но оснащён внешним резонатором.

Драйвер для лазерного диода

Выходная оптическая мощность лазерного диода (являющая одной из основных оптических характеристик) находится в зависимости от тока, проходящего по p-n — переходу. Ввиду этого драйвер лазерного диода обязательно должен соотноситься с источником тока. Все характеристики относящиеся к источнику тока отражаются на параметрах оптической мощности.

В сферу «обязанностей» драйвера входит не только регулировка мощности, но и терморегуляция, осуществляемая через охладитель. Конструкция управляющего блока при этом может быть как совмещённой, так и раздельной.

Рис з Схема простейшего  драйвера лазерного диода

Как подключить лазерный диод

Питать лазерный диод можно при помощи:

  1. Батарей;
  2. Аккумуляторных источников питания;
  3. Стационарных сетей на 220 В (при соответствующей защите от перепадов тока и напряжения).

Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. Чтобы обеспечить в защиту при данном варианте, потребуется конструкция, включающая в себя:

  • Стабилизатор напряжения;
  • Конденсатор;
  • Токоограничивающие резисторы;
  • Лазерный диод.

При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода.

Рис 4 Одно из подключений лазерного диода

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод?

Единица измерения длины волны, которую может продуцировать лазерный диод — нм, иначе «нанометры». Благодаря этому значению можно определить цветовой спектр испускаемого светового луча:

Поток фотонов красного цвета наиболее часто используется в конструкциях дисководов. При дневном свете луч этого лазера виден не очень хорошо, но причина этому только невосприимчивость человеческого зрения. При мощности от 20-50 мВт и фокусировки светового пятна в минимально возможную по площади точку проявляется эффект «жжения». Мощность на 200 мВт при правильной фокусировке позволяет резать бумагу различной плотности.

Зелёный поток. Лазеры данного типа очень хрупки и чувствительны к температурным всплескам, требуют крайне осторожного обращения. К тому же обладают сложным устройством и до недавнего времени были крайне дорогими.

Главный положительный момент их применения: зрительно излучение на 532 нм наиболее хорошо различимо. Поэтому использовать лазер зелёного цвета мощнее, чем на 5мВт будет небезопасно для зрения. Кроме того, в силу особенностей конструкции вместе с зелёным спектром лазер поставляет и инфракрасный с длиной волны на 808 нм и 1064 нм, а это только повышает травмоопасность такого прибора. Правда в более дорогих экземплярах стоят специальные фильтры, но это обязательно нужно проверять.

Фиолетовое излучение. Опасно тем, что слабо различимо для человеческого глаза и кажется слабым по мощности, хотя на деле ситуация строго противоположная. Его трудно сфокусировать. В общем, в целях эксплуатации не самый удобный вариант. Может быть актуален разве что при работе с фоторезисторами.

Инфракрасное излучение. Опасно в силу того, что не воспринимается человеческим зрением от слова совсем. А это грозит различными травмами зрения. Работа возможна только при отсутствии инфракрасного фильтра, что обеспечит хотя бы относительную видимость луча.

Излучение также инфракрасное с надбавкой CO2. Наиболее широко применяется в промышленности. Подобные лазеры имеют низкую стоимость, высокую мощность и отличаются высоким КПД. Используются данные лазерные диоды для резки металла или фанеры. С их помощью выполняется гравировка.

ссылкой:

Источник: https://elektronchic.ru/elektronika/lazernyj-diod.html

Лазерный диод — принцип работы, ток лазерного диода

Лазерные светодиоды характеристики

Под термином «лазерный диод» понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда в зоне p-n — перехода возникает инверсия населённостей.

Лазерные светодиоды характеристики

Лазерные светодиоды характеристики

Лазерные диоды, где генерация лучей осуществляется при помощи установленных полупроводников, открывают огромные возможности для их применения в различных областях деятельности. Лазерный светодиод может быть применен в проводах оптических носителей информации, измерительных приборах, принтерах, в качестве осветительных приборов для автомобилей.

Пожалуй, что именно последний вариант использования лазерных светодиодов вполне заслуженно вызывает массовый интерес со стороны покупателя, оценивающего все преимущества новинки. Не мудрено, ведь характеристики светодиодных фар значительно превосходят существующие, что и побуждает потребителя купить лазерный светодиод для установки на автомобиль.

История создания и преимущество лазерных фар

Лазерные светодиоды впервые стали использоваться для автомобилей немецким концерном BMW – модели BMW i8 стали одними из первых, на которых в промышленном производстве устанавливались инновационные фары.

Конструкция таких осветительных приборов относительно проста:

  • на рамочной основе крепится 3 лазерных элемента;
  • обязательными элементами конструкции являются «фосфорная» линза и светоотражатель, что позволяет направить лучи от отражателя на «фосфорную» линзу, благодаря чему и начинается излучение света.
Читайте также  Светодиоды инфракрасные мощные для камер наблюдения

Автоконструкторы уверенно заявляют, что лазерный светодиод значительно превосходит даже светодиодные элементы по следующим параметрам:

  • в 1000 раз яркость свечения больше;
  • энергопотребление значительно ниже;
  • срок службы светодиодных ламп – не менее 10 тысяч часов.

Лазерные лампы генерируют мощный свет в очень ограниченном пространстве. Светодиодный поток света направлен в точку размером в несколько микрон. Его интенсивность обеспечивает большую дальность распространения, поэтому фары в будущем могут быть более компактные. Сочетание дизайна и функциональности делают лазерные светодиоды перспективным направлением в развитии автомобильной светотехники.

Безопасны ли лазерные светодиоды для человека?

Имеются научно обоснованные данные, демонстрирующие отсутствие вредного воздействия лазерного светодиода на организм человека. Световой поток генерируется именно в «фосфорной» линзе с желтым фосфором – химическим элементом, абсолютно безопасным для здоровья человека.

Секрет безопасности светодиодных фар, несмотря на громкое слово «лазер», кроется в том, что в осветительных приборах он обеспечивает лишь питание — лазерные светодиоды создают направленное излучение, находящееся в голубой области свечения. Система зеркал (отражатели) направляет этот поток на линзу с флуоресцентным составом (фосфорсодержащим).

Этот «фосфор», поглощая энергию, созданную лазерным светодиодом, излучает приятный глазу мощный свет.

Долгая работа лазерных диодов возможна при стабильных параметрах напряжения, которые обеспечивает драйвер. Компактный и эффективный драйвер лазерного диода является источником тока для питания и управления диодов. Сам лазерный светодиод не подключают к работающему драйверу. Драйвер задает параметры импульсов от одиночных до непрерывного режима работы.

Существует два типа драйверов — импульсные и линейные. Линейный драйвер получает большее напряжение, чем нужно диоду, которое потом выделяется в виде тепла.

Развитие технологий позволило получать лазерный луч и в домашних условиях. Для этого необходимо приобрести диод, который будет создавать необходимое излучение. В промышленности используются диоды разной мощности, для домашнего применения достаточно лазерного диода с оптической мощностью 8 Вт.

Можно изобрести маленькое устройства, типа, уровнемера. При этом важно учитывать, как прибор будет подключаться к питанию. Невозможно подключение лазерного диода напрямую к аккумулятору. Здесь есть свои особенности: избегать статического напряжения и не допускать всплесков напряжения. Лазерные светодиоды должны работать при номинальном токе.

При его превышении сократится время их эксплуатации.

Лазер с мощностью в 5мВт считается не очень опасным. Крайне опасны инфракрасные и фиолетовые лучи, которые плохо видны. Можно получить повреждение зрения, не заметив, что излучение направлено прямо в глаз. Поэтому лучше избегать инфракрасных и более мощных лучей. Нельзя смотреть на выход луча без защитных средств, можно через видеокамеру или камеру мобильного телефона. Есть специальные очки для защиты, но очки против зеленого лазера пропустят инфракрасное излучение.

Экономия и удобство

Еще 10 лет использование светодиодных ламп в светильниках только разрабатывалось в умах инженеров. Сегодня это активно применяется. Наряду с этим появляются смежные технологичные устройства, повышающие ценность светильников — светодиодные приборы со встроенными датчиками.

Такие светодиодные устройства с датчиком движения освещают территорию, экономят электроэнергию, очень удобны в эксплуатации. Если в основе устройства светодиодная лампа, то прибор окупится очень быстро, за счет невысокого уровня энергопотребления. Светодиодные лампы с автоматической коммутацией предназначены для помещений с низкой посещаемостью (кладовые, лестницы, коридоры, гаражи).

После включения светодиодная лампа отключится только после полного отсутствия передвигающегося объекта.

Наиболее востребованной комплектацией являются следующие варианты устройств:

  • светодиодные светильники с датчиком движения
  • светодиодные светильники с датчиком освещенности
  • светодиодные светильники с датчиком освещенности и движения
  • светодиодные светильники с датчиком звука.

Применение светодиодных элементов

Появление лазерных светодиодных элементов сыграло революционную роль в создании электронных приборов. Мощный лазерный инфракрасный диод — отличный источник излучения. Его используют в волоконно-оптической системе передачи информации и других сферах.

Инфракрасный тип диода применяется для создания качественной и эффективной подсветки. Оптическая мощность и хорошие эксплуатационные характеристики позволяют применять их в высокоточных измерительных устройствах на производстве и в быту.

Такие диоды используются в лазерных указках, DVD приводах, в аппаратуре в качестве лампочек индексации, в оптических запоминающих устройствах.

Лазерные мощные диоды дают возможность создавать лучи, с помощью которых можно вернуть человеку зрение. Лазерные светодиоды используются для измерения оборотов двигателя, корректировке уровня при строительстве, а также в других технологических процессах. «Чистый» свет светодиодных ламп и узкий спектр излучения особенно ценен в дизайнерском освещении.

Источник: http://led-svetodiody.ru/info/lazernye-diody

Электронные компоненты систем оптической связи

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

— излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850.

1300, 1550 нм;— источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;— источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;— источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;— температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

— стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

https://www.youtube.com/watch?v=MWgxphvubW8

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требования используются в настоящее время — светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные , (LD).
отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами -это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время верные диоды имеют значительно более узкий спектр, рис. 4.1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Источник: https://1000eletric.com/lazernye-svetodiody-harakteristiki/

Электронные компоненты систем оптической связи

Лазерные светодиоды характеристики

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис. 4.2 а. Носители заряда — электроны и дырки — проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения X (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Eg (эВ) законом сохранения энергии λ= 1,24/Еg, рис. 4.2 б.
Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

Двойная гетероструктура:
а) гетероструктура;б) энергетическая диаграмма при прямом смещении

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и 1пР. Соответствующий композит композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения создается посредством напыления на подложку.

Длину волны излучения λ0 определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения Δλ0,5 — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Лазерные диоды

Два главных конструктивных отличия есть у лазерного диода по сравнению со светодиодом. Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор. Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов, рис. 4.1.

Читайте также  Перестали гореть светодиоды на люстре

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер, испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис. 4.3.

Рис. 4.3. Ватт-амперные характеристики:
1 — лазерного диода; 2 -светодиода

В магистральных ВОЛС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L = 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС а состав ВОК входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет).

На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм-км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только меньшая ширину спектра излучения лазера.

Итак, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским гражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

На рис. 4.1 б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = NΔλ где D — диаметр резонатора Фабри-Перо, а N — некоторое целое число.

Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Δλ0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм.

FP лазер имеет далеко самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется высокая высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть где реализуется одномодовый режим излучения и Δλ мало, с ростом скорости передачи у лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту — динамическому уширению спектра Δλ (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).

Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (D лазер) и с распределена брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В D лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 4.4 а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 4.4 б).

Периодическая структура влияет условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами D и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 10 процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Δλ/ΔТ для FP лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для D лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С.

Основным недостатке D и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис. 4-4 в) показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению.

Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратно связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.
Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку — это эквивалентно изменению шага решетки -можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС.

По характеристикам они схожи с D и DBR лазерами.

Другие характеристикиТакже важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения.

Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции, Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой.

Для описания фронтов вво­дят времена нарастания Trise и спада tmi мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области.

Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов — значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить по формуле : W = 0,35/τrise.

Рис. 4.4. Три основных типа лазерных диодов:
а) лазер с распределенной обратной связью, D лазер; б) лазер с распределенным брэгговским отражением, DBR лазер; в) лазер с одним внешним резонатором, ЕС лазер

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются — падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов.

Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами.

Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

Основные элементы ПОМ

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика; источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном.

Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных ла­зерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала.

Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис. 4.5.

Поставщики. Крупными поставщиками передатчиков являются фирмы: Epitaxx Inc. icsson Components Ab, Fujitsu Microelectronics Inc., Hamamatsu Corp., Hewlett-Packard, Hit Lasertron Inc., Laser Diode Inc., NEC Electronics tnc., OKI Semiconductors, Optek Technology Optical Communication Product Inc., Orte! Corp., Siemens Corp. и др..

Рис. 4.5. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля

Источник: http://www.fiberman.ru/articles/elektro-component/