Светодиод лазерный характеристики


Лазерный светодиод

Лазерный светодиод принципиально отличается обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами оптических колебаний).

В полупроводниковом лазере  излучение вызывается вынужденной рекомбинацией.  Это дает возможность управлять излучением с помощью электромагнитных волн и генерировать когерентный поток света.

Разберемся: как это работает?

Представим себе плоский p-n-переход, смещенный в прямом направлении (рисунок 1). В этом случае происходит инжекция дырок в область n и наоборот – электронов в область p. Во время этого перехода в граничной (активной) области может произойти рекомбинация, которая будет сопровождаться испусканием кванта. Такое излучение называется спонтанным. На основе спонтанного излучения работают обычные светодиоды. Если же электрон и дырка находятся на близком расстоянии в активной зоне и через эту область пройдет квант света определенной (резонансной) частоты, то рекомбинация произойдет вынужденно. При этом выделится еще один квант света, с такими же параметрами, как и квант, вызвавший рекомбинацию. Для того чтобы увеличить вынужденную рекомбинацию торцы полупроводникового кристалла делаются параллельными и полируются (на рисунке 1 они обозначены как «оптически ровная грань»). Таким образом, создается так называемый оптический резонатор. Кванты, многократно отражаясь от полированных поверхностей, «летают» вдоль перехода, провоцируя процессы вынужденной рекомбинации. В конце концов, они выходят наружу в направлении строго перпендикулярном оптически ровным граням. Когда количество квантов появившихся в результате такой стимуляции значительно превысит количество появившихся спонтанно – начнется лазерная генерация.

Рисунок 1

Интенсивность излучения зависит от силы тока, протекающего через p-n-переход. При малых токах лазер работает, как малоэффективный обычный светодиод, поскольку происходят только спонтанные излучения. Когда ток превышает некоторое пороговое значение – излучение становится вынужденным и его мощность резко вырастает. Этот способ стимуляции лазерного излучения часто называют накачкой электрическим током. Существует также метод оптической накачки, когда атомы полупроводника возбуждаются квантами от мощного (не обязательно когерентного) излучателя.

Выходя из кристалла полупроводника когерентный свет, вследствие дифракции, рассеивается во все стороны. Поэтому для формирования узконаправленного пучка приходится применять собирающие линзы.

Диапазон длин волн, в котором возможно создание полупроводникового лазера охватывает большую часть видимого спектра, а также ближнюю и среднюю область инфракрасного диапазона.

Конечно, лазерный светодиод на сегодняшний день претерпел множество изменений и улучшений в своей конструкции, он уже представляет собой более сложную структуру, а не простой p-n-переход, но основной принцип его работы остался таким как описано выше.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

Рисунок 2

Лазерные светодиоды или полупроводниковые лазеры находят широкое применение в самых различных областях. Они применяются в волоконно-оптических системах связи, в считывателях штрих-кода. В различных бытовых устройствах: компьютерных мышках, проигрывателях компакт дисков, проекторах, ну и, конечно, в лазерных указках.

Лазерные мощные светодиоды используются для накачки твердотельных лазеров, позволяя получать очень высокий КПД.

Еще одно применение – лазерная спектроскопия, где применение лазеров дало возможность использования принципиально новых методов исследования веществ. Лазеры незаменимы в научных исследованиях, активно внедряются в медицине, как для диагностических, так и для терапевтических целей.

le-diod.ru

Лазерные диоды. Виды. Устройство и работа. Подключение

Ранее изготовление лазеров было связано с большими трудностями, так как для этого необходим маленький кристалл и разработка схемы для его функционирования. Для простого радиолюбителя такая задача была невыполнимой.

С развитием новых технологий возможность получения лазерного луча в бытовых условиях стала реальностью. Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Этими полупроводниками стали лазерные диоды.

Повышенная оптическая мощность и отличные функциональные параметры полупроводника позволяют применять его в измерительных устройствах повышенной точности как на производстве, в медицине, так и в быту. Они являются основой для записи и чтения компьютерных дисков, школьных лазерных указок, уровнемеров, измерителей расстояния и многих других полезных для человека устройств.

Возникновение такого нового электронного компонента является революцией в создании электронных устройств разной сложности. Диоды высокой мощности образуют луч, который используется в медицине при выполнении различных хирургических операций, в частности по восстановлению зрения. Луч лазера способен быстро произвести коррекцию хрусталика глаза.

Лазерные диоды используются в измерительных приборах в быту и промышленности. Устройства изготавливают с разной мощностью. Мощности 8 Вт хватит для сборки в бытовых условиях портативного уровнемера. Этот прибор надежен в работе, способен создать лазерный луч очень большой длины. Попадание лазерного луча в глаза очень опасно, так как на малом расстоянии луч способен к повреждениям мягких тканей.

Устройство и принцип работы

В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то речь идет о смещении диода в прямом направлении. Дырки из области «р» инжектируются в область «n» р-n перехода, а из области «n» в область «р» полупроводника. При расположении дырки и электрона рядом друг с другом, то они рекомбинируют и выделяют фотонную энергию с некоторой длиной волны и фонона. Этот процесс получил название спонтанного излучения. В светодиодах он является главным источником.

Но при некоторых условиях дырка и электрон способны находиться перед рекомбинацией в одном месте продолжительное время (несколько микросекунд). Если по этой области в это время пройдет фотон с частотой резонанса, то он вызовет вынужденную рекомбинацию, и при этом выделится второй фотон. Его направление, фаза и вектор поляризации будут абсолютно совпадать с первым фотоном.

Кристалл полупроводника изготавливают в виде тонкой пластинки формы прямоугольника. По сути дела, эта пластинка и играет роль оптического волновода, в котором излучение действует в ограниченном объеме. Поверхностный слой кристалла модифицируется с целью образования области «n». Нижний слой служит для создания области «р».

В конечном итоге получается плоский переход р-n значительной площади. Два боковых торца кристалла подвергают полировке для создания параллельных гладких плоскостей, образующих оптический резонатор. Случайный фотон перпендикулярного плоскостям спонтанного излучения пройдет по всему оптическому волноводу. При этом перед выходом наружу фотон несколько раз будет отражаться от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создаст вынужденную рекомбинацию, образуя при этом новые фотоны с такими же параметрами, чем вызовет усиление излучения. Когда усиление превзойдет потери, начнется создание лазерного луча.

Существуют различные типы лазерных диодов. Основные из них выполнены на особо тонких слоях. Их структура способна создавать излучение только параллельно. Но если волновод выполнить широким в сравнении с длиной волны, то он будет функционировать уже в различных поперечных режимах. Такие лазерные диоды называют многодомовыми.

Использование таких лазеров оправдано для создания повышенной мощности излучения без качественной сходимости луча. Допускается некоторое его рассеивание. Этот эффект используется для накачки других лазеров, в химическом производстве, лазерных принтерах. Однако при необходимости определенной фокусировки луча, волновод должен выполняться с шириной, сравнимой с длиной волны.

В этом случае ширина луча зависит от границ, которые наложены дифракцией. Такие приборы используются в запоминающих оптических устройствах, оптоволоконной технике, лазерных указателях. Необходимо заметить, что эти лазеры не способны поддержать несколько продольных режимов, и излучать лазерный луч на разных длинах волн в одно время. Запрещенная зона между уровнями энергии «р» и «n» областей диода влияет на длину волны луча.

Лазерный луч на выходе сразу расходится, так как излучающий компонент очень тонкий. Чтобы компенсировать это явление и создать тонкий луч, используют собирающие линзы. Для широких многодомовых лазеров используются цилиндрические линзы. В случае однодомовых лазеров, при применении симметричных линз, лазерный луч будет иметь эллиптическое поперечное сечение, так как вертикально расхождение превосходит размер луча в горизонтальной плоскости. Наглядным примером для этого служит лазерная указка.

В рассмотренном элементарном устройстве нельзя выделить определенную длину волны, кроме волны оптического резонатора. В устройствах, имеющих материал, способный усилить луч в большом интервале частот, и с несколькими режимами, возможно действие на разных волнах.

Обычно лазерные диоды функционируют на одной волне, обладающей, однако значительной нестабильностью, и зависящей от различных факторов.

Разновидности

Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.

Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждыи из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.

Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.

Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойной модели, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.

Гетероструктурные лазеры

Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.

Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконно-оптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.

Существуют также лазеры моделей VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.

Особенности подключения

Лазерные диоды используются во многих устройствах, где необходим направленный световой луч. Основным процессом в сборке устройства с применением лазера своими руками является правильное подключение.

Лазерные отличаются от led моделей миниатюрным кристаллом. Поэтому в нем концентрируется большая мощность, а следовательно и величина тока, что может привести к выходу его из строя. Для облегчения работы лазера существуют особые схемы устройств, которые называются драйверами.

Лазерам необходимо стабильное питание. Однако существуют их модели, имеющие красное свечение луча, и функционирующие в нормальном режиме даже с нестабильной сетью. Если имеется драйвер, то все равно диод нельзя подключать напрямую. Для этого дополнительно нужен датчик тока, роль которого часто играет резистор, подключенный между этими элементами.

Такое подключение имеет недостаток в том, что отрицательный полюс питания не соединен с минусом схемы. Другим недостатком является падение мощности на резисторе. Поэтому перед подключением лазера необходимо тщательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Существуют два главных вида драйверов, способных обеспечить нормальных режим эксплуатации лазерных диодов.

Импульсный драйвер выполнен по аналогии импульсного преобразователя напряжения, способного повышать и понижать этот параметр. Мощности выхода и входа такого драйвера примерно равны. Однако, существует некоторое выделение тепла, на которое расходуется незначительное количество энергии.

Линейный драйвер действует по схеме, которая чаще всего подает напряжение на диод больше, чем требуется. Для его снижения необходим транзистор, преобразующий излишнюю энергию в теплоту. Драйвер имеет малый КПД, поэтому не нашел широкого применения.

При применении линейных микросхем в качестве стабилизаторов, при уменьшении напряжения на входе диодный ток будет снижаться.

Так как питание лазеров выполняется двумя видами драйверов, схемы подключения имеют отличия.

Схема также может содержать источник питания в виде батареи или аккумулятора.

Аккумуляторы должны выдавать напряжение 9 вольт. Также в схеме должен быть резистор, ограничивающий ток, и лазерный модуль. Лазерные диоды можно найти в неисправном приводе дисков от компьютера.

Лазерный диод имеет 3 вывода. Средний вывод подключается к минусу (плюсу) питания. Плюс подключается к правой, либо левой ножке, в зависимости от фирмы изготовителя. Чтобы определить нужную ножку для подключения, необходимо подать питание. Для этого можно взять две батарейки по 1,5 В и сопротивление 5 Ом. Минус источника подключают к средней ножке диода, а плюс сначала к левой, затем к правой ножке. Путем такого эксперимента можно увидеть, какая из этих ножек является «рабочей». Таким же методом диод подключают к микроконтроллеру.

Диоды могут работать от пальчиковых батареек, аккумулятора сотового телефона. Однако нельзя забывать, что дополнительно требуется ограничивающий резистор номиналом 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для этого нужно обеспечить вспомогательную защиту от всплесков напряжения высокой частоты.

 

Стабилизатор и резистор создают блок предотвращающий перепады тока. Для выравнивания напряжения применяют стабилитрон. Емкость предотвращает возникновение скачков напряжения высокой частоты. При правильной сборке обеспечивается стабильная работа лазера.

Порядок подключения

Наиболее удобным для работы будет красный диод мощностью около 200 мВт. Такими моделями полупроводников оснащаются дисковые приводы компьютеров.

• Перед подключением с помощью батарейки проверить работу лазерного диода.• Выбрать необходимо самый яркий полупроводник. Если диод взят из дискового привода компьютера, то он светит инфракрасным светом. Луч лазера запрещается наводить на глаза, так как это приведет к повреждению глаз.• Диод монтировать на радиатор для охлаждения, в виде алюминиевой пластины. Для этого предварительно сверлить отверстие.• Между диодом и радиатором промазать термопастой.• Резистор на 20 Ом и 5 ватт подключить по схеме с батарейками и лазером.• Диод шунтировать керамическим конденсатором любой емкости.• Отвернуть от себя диод и проверить его работу, подключив питание. Должен появиться красный луч.

При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.

 

Похожие темы: Комментарии:

Похожее

 

electrosam.ru

Электронные компоненты систем оптической связи :: ВОЛС СИТИ

Передающие оптоэлектронные модули

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.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требования используются в настоящее время — светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные , (LD).Главная 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.

Рис. 4.1. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

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.

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 (DFB 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 DFB 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 DFB 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 DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатке DFB 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 DFB 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, DFB 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

www.fiberman.ru

Лазерные диоды, их разновидности

Два главных конструктивных отличия 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 токов накачки получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью (согласованность колебаний по фазе), благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нМ) против 30-50 нМ у светодиодов.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода (рис.14). При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное (самопроизвольное) излучение, работая как малоэффективный светодиод.

При превышении некоторого значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности. Мощность выходного излучения POUT или выходная мощность излучения светодиода (output power) отражает мощность вводимого в волокно излучения. Наряду с традиционной единицей измерения Вт она может измеряться в дБм. Мощности POUT, измеренной в мВт (10-3Вт) будет соответствовать мощность

POUT= 10 lg POUT(дБм).

Использование единицы измерения дБм упрощает энергетический расчет бюджета линии. Мощность излучения, приводящаяся в характеристиках оптического передатчика, может варьироваться в некотором диапазоне.

В таких случаях указывают диапазон мощности излучения. Например: -19дБм −14 дБм означает, что POUTMIN= -19 дБм, а POUT МАХ = 14 дБм.

Рис.14. Ватт-амперные характеристики: 1- лазерного диода; 2 – светодиода.

В магистральных ВОЛС используются два окна прозрачности 1,3 и 1,55 мкМ. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкМ, на сверхпротяженных бестрансляционных участках (L100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС в 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 (одномодовое волокно) составляет 17 пс/нМкм. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только, уменьшая ширину спектра излучения лазера. При ширине спектра = 4 нМ полоса пропускания на 100 км составляет 63 МГц, а при =2 нМ соответственно 1260 МГц.

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

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределённой обратной связью; с распределённым брэгговским отражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP-лазеры).

Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцовыми 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.

Спектр излучения лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо соответствует многомодовому лазеру, т.е. он имеет значительные 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=N, где D – диаметр резонатора Фабри-Перо, а N – 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 0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, это соответсвует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нМ. FP-лазер имеет не самые высокие технические характеристики, но там, где не требуется очень высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB-лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR-лазер).

Резонаторы у этих схожих типов представляют собой модернизацию плоского резонатора Фабри-Перо, в который добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB-лазерах периодическая структура совмещена с активной областью, а в DBR-лазерах она вынесена за пределы активной области. Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB- и DBR-лазеров по сравнению с FP-лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от точки инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100%-я модуляция. Температурный коэффициент / для FP лазеров порядка 0,5-1 нМ/К0, в то время как для DFB-лазера порядка 0,07-0,09 нМ/К0. Основным недостатком DFB- 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. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на 4 порядка, в то время, как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока, благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решётки. Для улучшения обратной 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, причём 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 DFB- и DBR-лазерами.

Другие характеристики лазерных диодов.

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 время нарастания riseи время спада face мощности излучения., определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание светового сигнала от 0,1 до 0,9 и, наоборот, его спад от 0,9 до 0,1 от установившегося значения мощности. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которых входной 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:

[МГц или ГГц],

при и в зависимости от их величины.

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. Надёжность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые ранее, обладали значительно меньшей надёжностью по сравнению со светодиодами. В настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, значительно повысилась надёжность лазерных диодов, которая стала такой же, как и у светодиодов. Время наработки на отказ составляет около 50 000 часов и более (5-8 лет).

studfiles.net

Глава 29 : Устройство приемопередатчиков

Глава 29 : Устройство приемопередатчиков

« Предыдущая

 Открытие светодиодов и лазеров

Для сверх скоростной передачи данных не остаточно одних лишь световодов с малым затуханием, необходимы еще и быстродействующие излучатели света. При этом эти излучатели должны быть компактными и потреблять не много электроэнергии.

Сам принцип работы был разработан Олегом Владимировичем Лосевым в 1923 году. Ученый работал в Нижнем Новгороде в своей радиотехнической лаборатории, объектом исследований являлся кристадин. По ходу работы он увидел, что при прохождении тока по полупроводниковому детектору он начинает светиться. Самым большим свечением обладал карбид кремния. Изучая это явление методом шлифов и зондовой микроскопии, ученый пришел к выводу, что оно имеет фотоэлектродвижущую природу.

Еще в те далекие годы изобретение было по достоинству оценено промышленниками. Действительно, источники света, которые не требовали вакуума, быстродейственные и с низким напряжением, были весьма ценны в разоренной гражданской войной стране. В это время само явление электролюминесценции называли "светом Лосева" (Losev light, Lossew Licht). В 1938 году Лосев получил степень кандидата физико-математических наук именно за исследования свечения.

Укажем, что ученый всегда уделял особое внимание кремню и говорил, что его использование имеет большие перспективы. В самом начале 1941 года Лосев решил посвятить себя работе в несколько другом направлении - "Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния". К великому сожалению, нам не известны итоги его работы.

В тех годах множество ученых занимались изысканиями в области полупроводников. К примеру, два ученых Я.И. Френкель и А.Ф. Иоффе разработали теорию выпрямления тока на контакте металл-полупроводник. Она была основана на явлении туннелирования. Я.И. Френкель ввел для широкого использования понятие "экситона" в полупроводниках. В 1939 году получила всенародную известность диффузионная теория выпрямляющего p-n-перехода Б.И. Давыдова. Данная теория легла в основу теории p-n-перехода В. Шокли.

В 1951 году K. Lehovec и его помощники показали опытным путем,  что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу.

Вот таким образом появились и стали широко применяться светодиоды (Light Emitting Diodes). Безусловно, это изобретение было огромным шагом вперед в сравнении с нитью накаливания, но, тем не менее, они были пригодны не более чем световоды в виде стеклянных трубок. Следующий виток развития светодиодных технологий не заставил себя долго ждать, на этот раз на технологию обратили внимание радиофизики.

В 1954 году в апреле месяце два ученых Таунс и Гордон представили на суд общественности  квантовый генератор - мазер, работа которого была основана на парах аммиака. В 1954 г. уже отечественными учеными Прохоровым и Басовым была опубликована статья, в которой они обосновали работу данного прибора теоретическим путем. За эти разработки все указанные ученые получили Нобелевскую премию.

В мае 1956 года физик Роберт Дике применил данные разработки для оптической среды, и запатентовал результаты своей работы. Так появились первые лазеры. Само название "лазер" придумал Гордон Гулд аспирант Колумбийского университета. "Лазер" - это аббревиатура, и расшифровывается она как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Основным отличием лазеров от прочих источников света является высокая степень когерентности излучения, направленность, низкий уровень шумов, концентрации энергии во времени и т.д.

Следующим этапом стало применение данного принципа для почти всех видов сред. В 1960 году Теодор Мейман запустил твердотельный рубиновый лазер. В последующие годы был изобретен целый ряд различных лазеров: лазеры на двуокиси углерода, лазер на неодимовом стекле, химические лазеры, полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях.

 

История создания полупроводникового лазера

Началом развития отрасли полупроводниковой электроники можно считать 50-е года прошлого века. Уже в 60-х годах большую часть крупных военных заказов относились именно к этой отрасли. В октябре 1958 года на подводных лодках Советского Союза уже были установлены германиевые вентили. Их разработал, на тот момент младший научный сотрудник, Ж.И.Алфёров.

Самым главным направлением развития науки того времени было исследование монокристаллических структур на основе германия, кремния, полупроводниковых соединений типа АIIIBV (элементов 3 и 5 групп таблицы Менделеева). В области p-n-переходов так же проводилась масса исследований  и опытов. Была повышена рабочая температура приборов за счет замены германия кремнием, были созданы высоковольтные диоды и тиристоры. Широко известные сегодня полупроводниковые лазеры, светодиоды и фотоэлементы появились в результате экспериментов с арсенидом галлия. С этого момента электровакуумные ламы стали считаться безнадежно устаревшими.

Тем не менее, вопрос с мощным быстродействующим источником излучения оставался открытым. Свежеизобретенные лазеры на гомопереходах арсенида галлия не могли хорошо функционировать в условиях реальных условий при комнатной температуре. Связано это было с тем, что GaAs имели очень высокие пороговые и рабочие токи (примерно 50 000 А/см2). В результате операция осуществлялась с очень медленной скоростью.

В 1963 году Жорес Алферов в своей кандидатской диссертации доказал, что p-n-переход в гомогенном по составу полупроводнике не дает нужного результата при работе в разном оборудовании. Он предложил заменить их гетероструктурами - это был настоящий прорыв и следующий шаг на пути возникновения оптоволоконных технологий. Уже тогда родилось предположение, что лазеры, основанные на такой технологии, позволят оборудованию работать на много эффективнее.

Но и в данном случае, как это бывает часто, теоретические прогнозы сильно опередили реальное положение дел в области технической реализации. Мешало развитию этого направление и общественное мнение, которое отрицало возможность создания "идеального" гетероперехода. На этом поприще предпринималось множество попыток, но все они оканчивались одинаково неудачно. Это было связано с тем, что оба материала должны были иметь практически одинаковые тепловые, электрические, кристаллохимические свойства. Кроме того, они еще должны были иметь равные размеры ячеек кристаллических решёток.

Для создания таких проводников предпринималась попытка формировать гетеропереход путём эпитаксиального выращивания. При таком вращении пленка одного монокристалла наращивалась на поверхности другого монокристалла послойно. Были определены два соединения, максимально подходящие для создания совершенного гетероперехода. Ими стали арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия (AlAs), использование последнего было затруднено из-за того, что он мгновенно окислялся на воздухе.

Алферов пытался создать двойную гетероструктуру GaP0,15As0,85-GaAs и она увенчалась успехом. Ее создали путем газофазной эпитаксии, и уже на ней был сформирован лазер. Тем не менее, температурой, при которой они могли работать, была температура жидкого азота. Такой температурный коридор объясняется несоответствием постоянных величин молекулярной решётки. Ученый сделал вывод, что избранный путь ошибочен, и он не приведет его к желаемой реализации потенциальных преимуществ.

Решить возникшую проблему удалось чисто случайно. Дмитрий Третьяков, помощник Алферова, заметил, что арсенид алюминия совершенно стабилен в твердом растворе. В итоге, годом рождения классической гетеропары GaAs-AlGaAs принято считать 1967 год. Обратим внимание на тот факт, что примерно через месяц после открытия отечественных ученых, американской компанией IBM, независимо от советских ученых, была получена гетероструктура AlxGa1-xAs-GaAs.

В 1968 году был запущен первый в мире гетеролазер. Этот лазер работал при комнатной температуре и являлся низкопороговым. Ж.И.Алфёров поделился со всем миром результатами своих исследований в августе 1969 года на Международной конференции по люминесценции. Его доклад произвел сильное впечатление на коллег.

Схема первого полупроводникового гетеролазера.

Затем началось самое настоящее соревнование между лабораториями корпораций Bell Telephone, IBM и RCA. Но и тут группа советских ученых опередила специалистов из Bell Telephone. Именно Ж.И.Алфёров с сотрудниками в 1970 году достигли непрерывного режима работы лазера при комнатной температуре. Новая технология позволяла уменьшить пороговые плотности тока до 500-1000 А/см2. Как следствие, на свет появились компактные лазеры, которые могли функционировать в бесперебойном режиме, они обладали высокой яркостью большой выходной мощностью. Мощность такого лазера могла быть промодулирована с частотой до сотен и тысяч мегагерц, не меняя, при этом, полупроводниковый элемент.

Теперь к делу подключились технологи, инженеры и бизнесмены. Благодаря их изысканиям уже в 1975 году увидел свет первый коммерческий полупроводниковый лазер, который мог эффективно работать при комнатной температуре. В 1976 году уже работала первая оптическая линия, а срок службы такого оборудования доходил 10 лет. Еще через год этот срок вырос до 100 лет.

 

Светодиоды (Light-Emitting Diode, LED)

Для начала дадим определение термину "светодиод". Светодиодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По другому светодиод еще называют излучающим диодом.

Если кратко, то принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Это значит, что носители заряда проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев благодаря подаче напряжения на р-n структуру. После этого электроны испытывают спонтанную рекомбинацию, которая сопровождается излучением света.

Принцип действия светодиода

Для нужд оптических линий связи используют инфракрасные светодиоды, принцип их работы основан на GaAs. Светодиоду характерна большая эффективность электролюминесценции, к тому же он прекрасно освоен технически. Если сравнить лазер и светодиод, то преимуществом второго будет большая спектральная ширина излучения. У лазеров она составляет 1-4 нм, а у диодов 20-50 нм. Чтобы скомпенсировать данный недостаток, цена на лазеры значительно ниже.

Светодиоды, используемые в  оптоволоконных технологиях, принято делить на две группы: 1. светодиоды с излучающей гранью; 2. светодиоды с излучающей поверхностью. Другими словами поверхностные и торцевые.

Виды светодиодов

 

В светодиодах поверхностного типа чтобы вывести излучение в один направленный поток, в оболочке вытравливают специальное круглое отверстие. Полученная в итоге конструкция получила название "диод Барраса". Существует еще ряд моделей поверхностных светодиодов, у которых выход излучения происходит через подложку. Подложка изготовляется из InP, а само соединение является четырехкомпонентным GaInAsP.

В торцевых светодиодах излучение выводится так же, как и в "классических" лазерных диодах. Оптическое излучение направляется вдоль перехода, происходит это благодаря внутреннему отражению. Лазерную генерацию можно обойти путем ограничения активной области. Такое ограничение накладывает полосковая конструкция нижнего омического контакта.

Сферой применения таких передатчиков являются мультимодовые низкоскоростные системы, транслирующие сигнал на маленькие расстояния. К недостаткам светодиодов относят: низкую скорость, малую мощность, большую ширину полосы спектра, сильную расходимость излучения. В этой связи лазерные диоды занимают лидирующие позиции в одномодовых сетях.

 

Полупроводниковые лазеры (Laser Diode, LD)

Между большими и полупроводниковыми лазерами существует множество отличий, основными из них являются: Зонная структура материала полупроводниковых лазеров диктует квантовые переходы в них Полупроводниковые лазеры не большого размера (примерно 0,1 мм в длину) в связи с этим и их активная область очень маленькая – примерно 1 мкм и меньше. В результате расхождение луча гораздо больше, чем у обычных больших лазеров. Основные характеристики полупроводникового лазера (пространственные и спектральные) находятся в сильной зависимости от свойств того материала, из которого изготовлен переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). Система, созданная на основе полупроводникового лазера, весьма эффективна, так как модуляция излучения происходит за счет модуляции тока. Происходит это из-за того, что лазерное излучение появляется от воздействия тока, проходящего через прямосмещенный диод.

Режим индуцированного излучения можно получить только благодаря оптическому резонатору, который встроен в лазерный диод (LD). Этому режиму характерна высокая степень когерентности.

Ниже на рисунке представлена энергетическая зонная диаграмма лазера в присутствии внешнего напряжения U:

Энергетическая зонная диаграмма лазера

Чтобы достичь нужный лазерный эффект, ток должен иметь строго определенные пороговые значения. Эти параметры позволяют спектральной полосе сузиться. Чтобы снизить температуру нагрева и уменьшить рабочие токи, уменьшают рабочий слой. Этот слой сокращается до 5-20 мкм и выглядит в виде полоски, которая идет от одной отражающей поверхности к другой. Отсюда лазеры, основанные на этом принципе, получили название "полосковые". Рисунок вверху иллюстрирует каким образом это достигается (используется узкий металлический электрод). В связи с малой  ёмкостью переходов у устройств данной конструкции снижается до 100 мА пороговый ток и инерционность.

Непрерывно работающий лазер способен давать мощность излучения в размере 0.1 Вт. Если нагрев будет ослаблен (импульсное возбуждение), то мощность сильно увеличится. Основными показателями инжекционных лазеров будут: инерционность = 1 - 10-9 c; КПД = 50%; напряжение питания не более 3В. При этом размер самого устройства составляет несколько миллиметров. Изменяя напряжение тока можно управлять модуляцией светового потока.

Чаще всего в качестве оптического резонатора используют такие системы:

1.Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP лазер), Fabry-Perot laser (FP laser). В данном виде лазера используются два плоских зеркала, выполняющие функцию резонаторов. Он может работать в двух режимах излучения: одномодовом и многомодовом.

Лазер с резонатором Фабри-Перо

 

Его применяют только в системах связи, в которых скорость передачи данных не превышает 2,5 Гбит/с. Динамические свойства лазерных диодов, в данном случае, раскрываются благодаря зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения. Модуляция происходит путем изменения тока накачки. У данного вида лазера в одномодовой конструкции увеличение скорости передачи данных сопровождается изменением модового состава. Изменение модового состава представляет собой расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой порядка 1-2 Ггц.

2.Лазер с распределенной обратной связью (РОС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser). Рабочей считается длина волны 1550 нм. Может работать со стандартом CWDM с шагом 20 нм в диапазоне длин от 1310 до 1610 нм. Данный вид лазера возникает в связи с  периодической пространственной модуляцией параметров структуры, которые оказывают непосредственное влияние на условия распространения излучения.

Лазер с распределенной обратной связью

 

Данный вид лазера применяется в системах, со скоростью передачи данных от 2,5 Гбит/с, в отдельных случаях применим для систем со скоростью более 10 Гбит/с. Если модуляция происходит в диапазоне 0,25-2 Ггц, то сдвиг очень небольшой (примерно 0,2 нм), при этом прекрасно сохраняется подавление побочных мод. В этой связи, данный вид лазеров называют динамически одномодовыми.

3.Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой, (РБО-резонатор), Distributed Bragg Reflector. В целом этот вид можно охарактеризовать как разновидность лазера с распределенной обратной связью.

Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой

 

Лазерные диоды с внешними резонаторами служат для минимизации ширины спектра. Ширина эта находится в пределах от 1 до 1500 кГц и зависит от типа резонатора.

4.Лазеры с вертикальным объемным резонатором, (VCSEL лазер), Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL laser). Для данного лазера рабочей считается длина волны в 850 нм.

Лазер с вертикальным объемным резонатором

Эти лазеры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с поперечными излучателями: во-первых - это экономия электроэнергии, во-вторых, технологический процесс их изготовления значительно проще, т.к. на одной подложке можно обрабатывать большое количество элементов. К тому же им характерна высокоскоростная модуляция, что дает возможность передавать сигнал со скоростью выше 1 Gbps.

На сегодняшний день VCSEL производят из GaAs, а излучаемый ими свет находится в диапазоне от 750 до 1000 нм. Для передачи данных на длинные дистанции длины волн диапазона, в котором работает VCSEL, слишком коротки. В таких условиях данный вид лазеров используется только на мультимодовых кабелях, популярность которых в последние годы стремительно падает.

 

Способы модуляции

Полупроводниковым лазерам и светодиодам характерны два типа модуляции: внешняя и внутренняя (другими словами непосредственная модуляция).

Принципом работы внутренней модуляции является непосредственное воздействие электрического сигнала на излучение источника. В итоге обеспечивается выходная мощность и форма сигнала. Данный способ применим для всех систем, использующих частоты до 1 ГГц. Если используемые частоту превышают указанный порог, то возникает ряд затруднений: выходная мощность находится на очень низком уровне, модуляция осуществляется на низкой скорости, наблюдаются значительные нелинейные эффекты.

Для осуществления внешней модуляции применяется специальное модулирующее устройство. Это устройство оказывает непосредственное воздействие на непрерывно излучающий лазер. Такая технология применима для высокоскоростных передатчиков сигнала.

Указанными устройствами выступают интерферометры Маха-Цендера (MZI) и электроабсорбционные интерферометры (EA). Принцип работы MZI следующий: к материалу прикладывается электрическое поле, после чего происходит изменение показателя преломления. Другими словами, возникает электрооптический эффект, при котором  уменьшение n повышает скорость распространения света, а увеличение - снижает ее.

интерферометр Маха–Цендера

 

Согласно данному рисунку в модуляторе в кристалле ниобата лития (LiNbO3) происходит разделение света под действием двух волноводов. Если технически необходимо послать единицу, то к ним обоим нужно приложить одинаковое напряжение. Если стоит задача послать ноль, то прилагаемое напряжение должно обеспечить смещение фаз на 180°, что подразумевает взаимное вычитание сигналов в выходном канале, который объединит оба луча.

Оборудование, которое может функционировать на частотах 20 ГГц и выше, пользуется популярностью. Самыми известными производителями являются фирмы Ramar и Laser2000.

Еще одним известным способом выступают EA-модуляторы. Данный способ основан на эффекте сдвига запрещенной зоны в полупроводнике. Сдвиг возникает под воздействием прикладываемого напряжения, в результате такого действия происходит поглощение генерируемого лазером излучения.

EA-модуляторы производят из сложных полупроводников с большим количеством квантовых ям. В ямах происходит расщепление спектральных линий атома под действием внешнего электрического поля (эффект Штарка) или же эффект электроабсорбции. К числу достоинств этого модулятора относят высокое быстродействие (до 40 ГГц) и совместимость с лазерными диодами на фосфиде индия.

Указанными видами модуляций ассортимент не ограничен, существует множество прочих способов управления световым потоком. В качестве примера можно указать на модулятор, основанный на эффекте Поккельса. Эффект проявляет себя при вращении плоскости поляризации входной световой волны, когда к ней приложено напряжение. Достичь поворота на 90 градусов можно, например, в кристалле ниобата лития и проч. (эти виды кристаллов называют "ячейкой Поккельса"). Для получения модулятора такой кристалл располагают между двумя поляризационными фильтрами.

Модулируя амплитуду напряжения в ячейке Поккельса можно изменять интенсивность световой волны. При этом частота может превышать 10 ГГц, а глубина модуляции достигает 99,9%.

 

Оптические усилители

Функцией Optical amplifier (в переводе оптический усилитель) является усиление оптического сигнала и преобразование его обратно в оптический. Усиление сигнала происходит без перевода его в электрический.

Основой работы полупроводниковых оптических усилителей является возбуждаемая эмиссия, которая появляется за счет взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне в зоне проводимости.

Энергия входного сигнала должна быть такой мощности, чтобы сбросить электроны с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Благодаря накачке (ввода тока в полупроводник) появляется инверсия.

Основа принципа работы этой технологии такая же, как и в лазерных диодах Фабри-Перо. Это означает то, что на входе и выходе усилителя устанавливается пара параллельных полупрозрачных зеркал, сигнал многократно отражается и возникает усиленный оптический сигнал. Таким образом, произошло преобразование энергии накачки в энергию сигнала.

Величина коэффициентов усиления равняется 22-25 дБ. Чтобы достигнуть максимума коэффициента усиления, нужно увеличить величину подаваемого тока в полупроводник. Он будет находится в интервале от 1520 до 1460 нм, при этом чем больше ток, тем короче будут волны.

Устройства рассматриваемого типа применяются в следующих качествах:

  •  коммутаторов для разделения по длинам волн;
  •  усилителей. Так называемых «предусилителей» для создания детектированного оптического сигнала. Эти устройства применяют так же для компенсации распределенных потерь в линии, что дает возможность увеличить длину регенерационного участка.
  •  компенсаторов дисперсии в оптоволокне. Связано это с тем, что они имеют свойство увеличивать крутизну переднего и уменьшать крутизну заднего фронтов импульсов, т.е. фактически способствовать изменению знака дисперсии.

 

Гораздо более распространенным в сфере сетевых технологий оказалось другое оборудование, основанное на эффекте Рамана. Оптические волокна этих усилителей созданы на основе  легированных редкоземельных элементов.

Примерна схема работы такого усилителя будет следующей:

Упрощенный принцип действия оптического усилителя

 

При этом используются:

  •  неодим (Nd) и празеодим (Pr) - для усиления сигналов в окне 1300 нм;
  •  эрбий (Er) - для усиления сигналов в окне 1550 нм;
  •  иттербий (Yb), применяемый совместно с Er для расширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки.

 

Редкоземельное вещество вносят в малом количестве в центральный световод. Его добавляют на промежутке в несколько метров. Для предотвращения интерференции в оптическом волокне, вводимый световой пучок должен иметь меньшие длины волн.

Из-за взаимодействия с квантами светового пучка накачки в тот момент, когда ток проходит по легированному участку ослабленного сигнала, электроны в ионах редкоземельных элементов переходят на более высокий квазистационарный энергетический уровень. В результате появляется индуцированное излучение с такой же или максимально приближенной длиной волны.

Если оптическое волокно легировано неодимом и на нем расположен усилитель, то он сможет работать на волне, длиной примерно 1340 нм. В лабораторных условиях его рабочей длиной может стать волна в 1310 нм. Более совершенным в этом отношении считается празеодим. Усилители, работающие с данным диапазоном, отличают следующие качества: для легирования используется флюоритовое стекло (не кварцевое), накачку производят на низкой эффективности (до 4 дБм/мВт). Если мощность насыщения составляет примерно 200 мВт, то усиление будет равно примерно 34 дБм.

Так же высокую степень распространения получило оптическое волокно, легированное эрбием. Ионам эрбия характерна самая большая поглощающая сила в районе длин волн 980 и 1480 нм. Таким образом, получается, что в качестве источников накачки могут выступать распространенные виды лазеров, работающие на длине волны в 797/800, 980 и 1480 нм. К трехуровневой модели взаимодействия относятся лазеры на 800 и 980 нм, к двухуровневой - 1480 нм. Для самой высокой степени эффективности выгоднее всего применять трехуровневую

Тем не менее, менее эффективные, по сравнению с предыдущим видом, лазеры на 1480 нм пользуются еще большей популярностью. Принято считать, что они более надежные и при этом работают с низким показателем замусоренности эфира (шумов). Уровень шума соответствует примерно 5 дБ.

Иттербий может применяться как дополнительный легирующий элемент. В этом случае появляется возможность использовать лазерный диод накачки, функционирующий на длине волны 1053 нм. По другому такие лазеры называются "DPSS-лазеры". Такой подход способствует получению более мощного источника накачки, и, как результат, продлевается срок эксплуатации и возрастает усиление.

Существует деление усилителей по сфере применения:

  •  Бустеры (усилители мощности). Такой вид усилителей часто используется для передачи нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения. В данном случае усилители мощности устанавливаются перед оптическим разветвителем. Так же их применяют непосредственно после лазерных передатчиков. В такой ситуации их предназначение заключается в том, чтобы дополнительно усилить сигнал до такого уровня, который не достижим на основе лазерного диода.
  •  Предусилители (предварительные усилители). В основном их применяют для замены сложных и зачастую очень дорогих когерентных оптических приемников. Их располагают в непосредственной близости от приемника регенератора (перед ним). Данное действие позволяет снизить уровень шума и повысить силу сигнала на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике.
  •  Линейные усилители. С помощью данного вида усилителей заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы, но только тогда, когда отсутствует необходимость в точном восстановлении сигнала. В основном их размещают в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей. Главной целью такого расположения является компенсация ослабления сигнала, которая происходит из-за затухания в оптическом волокне. В свою очередь затухание происходит из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM.

Детекторы света

Фотодетекторы выполняют функцию перевода оптического сигнала в электрический. Чаще всего основой этих фотодиодов служат p-i-n переходы или лавинные эффекты.

Чтобы p-i-n фотодиод функционировал между слоями с n- и p- проводимостью прокладывается специальный слой, который имеет собственную проводимость. На данный слой направляется обратного напряжения смещения, в результате которого он обедняется свободными носителями. В итоге создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. Носители, которые появились в этом слое из-за поглощения света, под действием очень сильного электрического поля ускоряются. Приборы, основанные на таком принципе, обладают высокими показателями частотности (до 10 ГГц).

Основным отличием лавинного фотодиода является лавинное размножение носителей. Как следствие - во внешней цепи фотодиода очень сильно возрастает ток.

Ниже расположена схема сечения фотодетектора на световодах из SiGe. Сам слой расположен на вершине кремниевого наплыва световода.

Схема сечения фотодетектораОт материала, из которого изготовлен фотоприемник, зависит его спектральный диапазон. Для примера: для волн, длиной в 400-1100 нм, используют кремний и арсенид галлия. Что касается волн, которые используются в оптоволоконных устройствах, то для них кремний представляет собой очень плохой  детектор. Поэтому в таких системах в основном применяют германий.

Основными показателями фотодиодов, заслуживающими внимания, являются: уровень шумов, время отклика, линейность.

Следующая »

ic-line.ua

Как сделать лазер своими руками |

Мечта о маленьком карманном лазере стала реальностью с появлением и развитием полупроводниковых лазерных диодов. В просторах интернета достаточно много статей о том, как можно сделать выжигающий лазер из привода для компакт дисков. Но не стоит ограничиваться только этой информацией.

Выбор лазерного диода:

Если вы задались серьёзной целью сделать лазер то просмотрите справочник и выберете подходящий по параметрам лазерный диод. Если нет у вас есть неисправный DVD RW привод — то вам придется раскошелится и купить лазерный светодиод. Причём в этом случае, вы можете в меру своих финансовых возможностей, подобрать лазер нужной вам мощности. А как с ним быть дальше? Рекомендую прочитать и прислушаться к нашей статье что бы не тратить время на сборку сомнительных схем подключения лазерного диода.

Классификация лазерных установок:

В лазерном пучке концентрируется высокая энергия и потому существует опасность повредить зрение при неосторожном обращении с лазерами. Существует классификация опасности лазерных установок в соответствии с EN60825-1 рисунок №1.

 

Рисунок №1 – Классификация опасности лазерных установок

При работе с лазерными диодами нужно СТРОГО СОБЛЮДАТЬ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ. Нельзя направлять луч лазера прямо в глаза, это может привести к полной или частичной потере зрения. Не давайте вашу лазерную установку детям, не оставляйте её в легкодоступных местах! Исключайте возможность не санкционированного (случайного) включения лазера, используйте ваше творение только в мирных целях!!! Одевайте защитные очки при настройке и работе с ним.

О лазерном диоде:

Как правило, лазерный диод это миниатюрное устройство с тремя (рисунок №2) или четырьмя ножками в зависимости от типа.

Рисунок № 2 – Внешний вид лазерного светодиода с тремя ножками

Почему три ножки? Дело в том что внутри корпуса находится кроме лазерного излучающего диода ещё и фотодиод рисунок №3.

Риснок №3 – Схема лазерного светодиода

Фотодиод предназначен для того чтобы управлять (регулировать или ограничивать) током лазера. Конструктивно это выглядит так: рисунок №4.

Рисунок №4 – Лазерный диод вразрезе.

Маломощные лазерные диоды эксплуатируются с напряжениями в несколько вольт и силой тока в диапазоне примерно от 50 до 80 мА. Указанный в соответствующих паспортах на них (Datasheet). Например рабочий ток (50-60 мА) ни в коем случае нельзя превышать! Опасны также им­пульсные перегрузки. Поэтому при питании лазерного светодиода нужно принимать во внимание то, чтобы такие пики отсутствовали. Надежнее всего использо­вать в качестве источника питания для диода не блок питания, а батареи. Но это не всегда подходит – особенно если вы хотите сделать стационарную установку.

Итак, если вы желаете подключить ваш лазерный диод (ЛД) к не стабилизированному (простому) блоку питания рекомендую воспользоваться схемой рисунок №5:

Рисунок №5 – Схема подключения ЛД к нестабилизированному источнику питания

С1– 10 мкФС2 – 47 пФС3,С4 – 10 нФR1 – 10 КR2 – 1,5 КR3 – 33 ОмVT1 – ВС548VT2 –BD675VD1 – Лазерный диодVD2 – 3,3 В/ 1,3ВтБлагодаря такому подключению лазерного диода можно предотвратить его выход из строя. Падение напряжения на резисторе R2 открывает транзистор VT 1, он управляет током базы транзистора VT 2. В контуре регулирования ток фотодиода колеблется около 400 мкА. Конденсатор С4 устраняет импульсные помехи, а емкостной делитель напряжения, состоящий из конденсаторов С2 и СЗ, обеспечивает запуск процесса регулирования сразу при подаче напряжения питания.

Мой вариант лазера:

Я тоже попробовал сделать лазер из DVD RW привода и хочу сразу вас предупредить, что идея хорошая, но реализовать её достаточно сложно. Разбирать рабочий DVD RW привод это глупо, а в поломанных приводах, как правило, лазерный диод уже палёный и восстановлению не подлежит. Даже если вам всё же удалось вынуть рабочий лазерный диод, то будьте готовы к тому, что к нему необходима специальная собирающая линза, так как сам по себе лазерный диод светит не сфокусировано. А что б сформировать требуемое расхождение луча вам понадобиться хорошая оптика. Линзы от   DVD RW привод не дают желаемый эффект. Я просто купил готовый лазерный модуль типа HLDPM12-655-5 (в корпусе с оптикой и защитой от переполюсовки),  и подключил его к обыкновенному блоку питания.

Рисунок №6 – HLDPM12-655-5 внешний видРисунок №7 – HLDPM12-655-5 подключённый к блоку питанияРисунок №8 – свечение лазера

Мощность моего лазерного диода всего 6 мВт (для моих целей этого было достаточно) но если вам необходимо прожигать отверстия в листке бумаги, то придётся покупать гораздо более мощный лазерный диод, который соответственно стоит дороже.

P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт http://bip-mip.com/

bip-mip.com

Чем светодиодная технология лучше лазерной? (и чем хуже)

Терминология

Лазерная печать — распространённое название метода печати, использующего принцип сухого электростатического переноса. Суть принципа заключается в том, что красящее вещество (тонер) за счет электростатики «прилипает» к светочувствительному барабану в тех местах, где он подвергся воздействию источника света. Далее тонер перетягивается на бумагу за счёт электростатики, в результате чего на бумаге формируется изображение, которое закрепляется в печке принтера под воздействием температуры и давления. Традиционно в качестве источника света используется один лазерный диод, луч от которого, проходя через систему развертки, попадает на светочувствительный барабан. Но лазерный диод — не единственный источник света, используемый в современных принтерах. Достойной и во многом интересной альтернативой лазеру являются светоизлучающие диоды (LЕD от Light Emmitting Diode) собранные в линейку и называемые Светодиодной Линейкой. Оба источника света позволяют производить отпечатки абсолютно идентичные по набору потребительских свойств. Однако у каждой из технологий есть свои особенности.

Рассмотрим светодиодную печать подробнее.

Основные преимущества:

компактность и отсутствие движущихся частей

отсутствует выделение озона

высокая точность изображения

информационная безопасность

высокая скорость работы

Лазерный (сверху, крышка снята) и светодиодный (снизу) источники света для электрографических принтеров

Конструкция светодиодной линейки: сверху вниз — крышка с фокусирующими линзами, текстолитовая плата со светодиодами и контактной группой, диэлектрик и металлический корпус

Отдельные светодиоды при большом увеличении (светодиодная линейка с разрешением 600dpi)

Компактность и отсутствие движущихся частей

Источник света в светодиодном принтере представляет из себя тысячи (от 2 500 до 10 000 штук) отдельных светодиодов, смонтированных на текстолитовой плате тем же способом, которым производится монтаж обычных электронных компонентов современных устройств. Сама текстолитовая плата помещается в металлический корпус, что предотвращает её повреждение. Благодаря миниатюрным размерам светодиодов, их можно расположить в очень небольшом устройстве — светодиодной линейке (так же называемой печатающей головкой). Размер этой головки так мал, что до сих пор светодиодные страничные принтеры OKI являются самыми компактными устройствами черно-белой печати в мире! В лазерном же принтере используется довольно сложная оптико-механическая система, в которой присутствуют прецизионные по настройке зеркала и вращающаяся многогранная призма (именно она издает лёгкий свист при работе лазерного принтера). Традиционно считается, что система, в составе которой есть движущиеся части, является менее надежной, чем система без таких частей. Этот постулат проверен временем и по отношению к светодиодным головкам OKI. Начиная с 1999 года на них дается пожизненная гарантия производителя!

Отсутствует выделение озона

Озон — трехатомный кислород, являющийся высокоактивным химическим элементом (окислителем). В малых количествах озон полезен для организма человека, но в больших — очень вреден, так как является условно сильнодействующим ядом. Одним из распространённых источников озона в быту является копировально-множительная техника. В конструкции такой техники раньше был элемент, называемый коронатором и представляющий из себя тонкую проволочку, по которой проходит ток высокого напряжения. Соприкасающийся с этой проволокой кислород воздуха ионизируется и из него получается озон. В современных устройствах от коронатора отказались, заменив его специальным роликом, что фактически предотвращает выделение озона. Но в лазерных принтерах остался ещё один источник озона — сам лазерный луч. Если посмотреть на схему лазерной системы печати, то можно увидеть, что лазерный луч совершает довольно длительное путешествие через систему зеркал и линз, прежде чем достигнет поверхности фотобарабана. На этом своём пути он электризует воздух, что тоже сопровождается выделением озона. Конечно, не в таких количествах, в которых производил его коронатор, но характерный запах озона при работе лазерного принтера всё равно ощущается. Этого недостатка полностью лишены светодиодные принтеры. Расстояние от светодиодов печатающей линейки до поверхности фотобарабана настолько мало, что на этом промежутке практически нечего ионизировать, да и характеристики света, излучаемого светодиодными линейками таковы, что не могут разлагать кислород с выделением озона. Именно поэтому светодиодные принтеры являются самыми экологически чистыми устройствами современной тонерной печати.

Высокая точность изображения

При работе лазерного принтера, каждая строка будущего изображения формируется при «сканировании» лазерным лучом поверхности светочувствительного барабана (фотобарабана). Отклоняющая луч призма вращается посредством шагового двигателя. На каждом шагу призма поворачивается на один и тот же угол. Однако в связи с тем, что для того, чтобы достигнуть поверхности барабана, лучу нужно проходить разный пусть в центре барабана и по его краям, расстояние между соседними точками будет отличаться. Кроме того, в связи с тем, что луч падает на край барабана под углом к его поверхности, сама форма точки, которая будет сформирована на фотобарабане, будет не круглой, а овальной. В светодиодной системе печати над каждой точкой фотобарабана расположен свой светодиод. Расстояния между диодами в линейке одинаковые, а форма точки не меняется по длине фотобарабана. Именно эти свойства обеспечивают одинаково высокую точность изображения как в середине листа, так и по его краям. И именно поэтому профессиональные системы печати не используют лазерную систему развёртки, а работают по принципам, аналогичным тем, которые используются в светодиодных печатающих устройствах.

Описанные выше различия в точности изображения можно увидеть при сильном увеличении мелкого текста. К примеру, ниже даны два фрагмента текста кеглем 1.5пт, сделанные лазерным и светодиодным принтерами и отсканированные с одинаковыми параметрами:Отпечаток, сделанный лазерным принтером с разрешением 1200х1200dpi. Обратите внимание на качество прорисовки мелких элементов букв — все «кружочки» залиты тонером.Отпечаток, сделанный светодиодным принтером с разрешением 1200х600dpi. Даже несмотря на изначально более низкое физическое разрешение, светодиодный принтер гораздо лучше справляется с мелкими деталями текста.

Информационная безопасность.

Лазерный диод, работающий в качестве источника света в лазерном принтере, излучает серии последовательных световых импульсов, которые доходя до поверхности фотобарабана, создают на нём электростатическое изображение, впоследствии переводимое в отпечаток. Однако, как и любое другое электронное устройство, лазерный диод излучает не только в своём рабочем диапазоне (лазерный луч), но и в радиодиапазоне, являясь, фактически, радиопередатчиком. Каждая точка, которая ставится на бумаге, и из которых получается печатаемое изображение, соответствует одному импульсу в радиоэфире. Используя современную технику, эти импульсы можно принять на радиоантенну, отправить на компьютер и восстановить с его помощью печатаемое принтером изображение.

Светоизлучающие диоды в светодиодном принтере тоже создают электромагнитные колебания, которые можно уловить приёмником, но в силу того, что светодиодов в печатающей линейке очень много, а вспыхивают они все одновременно, в эфир попадает «белый шум», который невозможно расшифровать (определить какой из диодов «вспыхнул», а какой — нет, соответственно где была поставлена на бумаге точка, а где нет), то есть нельзя восстановить изображение, которое печатается на светодиодном принтере. Такая защищенность печатаемых на светодиодных принтерах документов может быть востребована в любых ответственных местах при печати секретной и закрытой информации, а также там, где печатаются персональные данные о клиентах. Ведь согласно закону о защите персональных данных не важно, каким образом произошла утечка этих данных, ответственность по закону всегда одинакова. Поэтому если вы предполагаете печатать персональные данные на лазерном принтере будьте готовы к тому, что станете виновным в нарушении этого закона. Так что лучше сразу использовать для печати таких данных светодиодные принтеры!

Высокая скорость работы

Благодаря тому, что все светодиоды в линейке размещены в один ряд и вспыхивают одновременно, скорость печати светодиодных принтеров практически не ограничена. В противовес этому, лазерные принтеры, которые вынуждены прорисовывать каждую строку изображения последовательно, имеют физические ограничения максимальной скорости печати в зависимости от используемого горизонтального разрешения, при котором не возникает геометрическое искажение печатаемых линий. На графике справа хорошо видно, что при физическом разрешении 1200dpi максимальная скорость печати лазерного принтера составляет порядка 20 страниц в минуту. При более высокой скорости печати будут возникать линейные искажения строк отпечатка: строки будут не строго горизонтальными, а слегка под наклоном. Альтернативой искажению будет снижение физического разрешения. К примеру при печати с разрешением в 600dpi максимальная скорость лазерных принтеров может достигать 50 стр/мин. Если необходимо добиваться высокой скорости при высоком разрешении конструкторы вынуждены в лазерные принтеры устанавливать два и более лазерных механизма, каждый из которых будет работать лишь с частью изображения. Это заметно удорожает конструкцию и увеличивает её габариты, кроме того создаёт очевидные проблемы с настройкой таких принтеров. Все эти проблемы принципиально отсутствуют на светодиодных принтерах, для которых ограничения по скорости печати лежат далеко за пределами реально востребованных скоростей печати.

Часто выделяемые недостатки:

Разрешение составляет не более 600 dpi, и изображения, создаваемые светодиодными принтерами, часто получаются с размытыми и нечеткими краями, тонкие линии полутонов имели пропуски, совмещение цветов на цветных изображениях было неточным. Качество печати, особенно в отношении разрешения и стабильности — слабая сторона светодиодных принтеров.

Во-первых, большое заблуждение по поводу разрешения «не более 600dpi». Уже в 2000м году OKI выпустила две старшие модели цветных принтеров — C7400 и C9400, форматов А4 и А3 соответственно, разрешение светодиодных линеек которых составляло 1200dpi. Потом были модели C7500 (A4) и C9500 (A3), потом C9800 (A3) и, наконец, сегодняшний C9850 формата А3. У всех у них на одном дюйме светодиодной линейки располагалось по 1200 отдельных светодиодов, благодаря чему достигалось физическое разрешение 1200x1200dpi. «Размытые и нечёткие края» это и вовсе плод фантазии да домыслы. Уже очень давно в светодиодных принтерах применяется технология сглаживания векторных изображений, основанная на возможности светодиодных линеек создавать точки различного размера. Даже самые недорогие и, откровенно говоря, не самые лучшие представители семейства чёрно-белых принтеров OKIPAGE, давали более чем достаточную гладкость текста и векторных изображений уже при базовом разрешении в 300dpi! Чего уж говорить о принтерах сегодняшних, работающих с разрешением 600 и 1200 dpi и использующих в полной мере ту же самую технологию! А вот недостаточно стабильное изображение — сермяжная правда. Но… 10-летней давности. Действительно ещё 10 лет назад светодиоды в линейках немного отличались по интенсивности свечения друг от друга, что давало небольшую полосатость вдоль движения листа. Но с появлением принтеров серий С7000 и С9000 в 2000м году увидели свет и новые линейки, свечение каждого светодиода в которых автоматически контролировалось и нормализовывалось до одного уровня. С тех пор вопросы стабильности изображения из-за разности свечения светодиодов больше не поднимались.

Выводы

компактность и отсутствие движущихся частей Обеспечивает малые размеры механизма и длительную беспроблемную работу аппарата. На самый ответственный элемент — светодиодную линейку — даётся пожизненная гарантия производителя!

отсутствует выделение озона Принтеры, работающие на светодиодной технологии, являются самыми экологически-чистыми из современных устройств тонерной печати, предотвращая такие пагубные последствия воздействия озона, как головокружение и сонливость.

высокая точность изображения Создаваемые документы отличаются высокой точностью и линейностью изображения, технологически недостижимыми на классических лазерных принтерах.

информационная безопасность Светодиодные принтеры возможно использовать в таких приложениях, которые требуют повышенной конфиденциальности документооборота.

высокая скорость работы В светодиодных принтерах не приходится приносить в жертву скорость работы или качество печати, так как параллельная по всей ширине листа засветка дает возможность печатать без ограничения скорости с любым оптическим разрешением, что недоступно для лазерных принтеров.

Что не относится к светодиодной технологии, но приписывается Очень часто, рассматривая светодиодные принтеры, люди задаются вопросом — а что будет, если один светодиод выгорит, как выгорает пиксел на экране монитора? Однако этот довольно забавный вопрос ни в коей мере не может быть отнесён к светодиодной технологии. Ассоциацию надо искать в другой сфере компьютерных технологий и задаться вопросом — а что будет, если выгорит один транзистор на процессоре? Ведь их там на порядки больше, чем светодиодов в линейке, а изготовление и тех и других, по большому счёту, делается с использованием схожих технологических процессов. И в обоих случаях, слабое звено отбраковывается на стадии производства и как крайне мал процент процессоров с выгоревшими транзисторами, так и почти не попадают в принтер и светодиодные линейки с выгоревшими диодами. Если что-то и случается со светодиодной линейкой, так это отказ управляющей платы, отвечающей за целую секцию светодиодов. Отдельные светодиоды в процессе эксплуатации отказывают настолько редко, что даже не попадают в статистику отказов, то есть находятся за пределами 0.01% общего количества отказов светодиодных принтеров. И в любом случае, что бы не случилось со светодиодной линейкой, мы всегда можем быть уверены, что её заменят в рамках пожизненной гарантии! К слову: светодиоды работают с интенсивностью минимум в 5000 раз более низкой, чем лазер. Поэтому и не выходят из строя. Поэтому и гарантия такая.

Компания OKI занимается развитием и совершенствованием созданной ей же светодиодной технологии с 1987 года. На сегодняшний день, OKI является одной из немногих компаний, которая продолжает вести фундаментальные технологические исследования и самостоятельные разработки в области черно-белой и цветной печати, вкладывая в них значительные средства. В данной статье я лишь косвенно обозначил направления разработок по улучшению светодиодных технологий, однако, как вы можете заметить, за последние годы технология избавилась почти от всех своих недостатков.

Сергей Лебедев директор по маркетингу OKI

habrahabr.ru


Смотрите также